打得出，更要用得住：核环境增材制造沉淀硬化钢最新进展

|3DScienceValley· 2026/04/01

谷专栏

在金属增材制造不断走向高端装备应用的今天，大家关注的问题，已经不再只是“能不能把复杂结构打印出来”，而是进一步转向“打印出来之后，能不能在真实服役环境中稳定工作”。

对于核能相关应用来说，这个问题尤其关键。反应堆服役环境对材料的要求非常苛刻，除了强度、韧性和尺寸精度之外，腐蚀行为往往直接关系到构件的可靠性与寿命。而在增材制造研究中，相比于成形质量、缺陷控制和力学性能，关于核环境下耐蚀性的系统研究仍然相对有限。这项工作，正是围绕这个问题展开。

最近，多伦多大学材料系邹宇教授团队和合作者发表于Additive Manufacturing 的论文 “Corrosion Behavior of Additively Manufactured PH Steels in Simulated Nuclear Reactor Environments”，聚焦两种沉淀硬化钢—17-4PH和CORRAX®，系统比较了它们在铸态与激光粉末床熔融（LPBF）条件下的腐蚀行为。Evelyn Li 是邹宇教授团队硕士研究生，为该工作的第一作者。

核电站和金属增材制造的示意图

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.addma.2026.105154

这项工作的一个重要出发点是：当前增材制造核材料研究中，已有不少工作集中在奥氏体不锈钢，尤其是316L；但对于马氏体/沉淀硬化钢这类兼具高强度和工程应用潜力的材料体系，尤其是在核环境中的腐蚀行为，公开研究仍然不算充分。也正因为如此，这类材料是否能真正支撑未来核能装备中的增材制造应用，值得更深入回答。

在这项研究中，该团队比较了17-4PH和CORRAX® 两种PH钢在铸造和LPBF增材制造条件下的组织与耐蚀差异。为了模拟反应堆停堆期间主冷却回路缝隙环境，研究在 0.01 M HCl + 0.3 M NaCl 溶液中进行了25°C和70°C 条件下的测试，并结合浸泡实验、循环极化、线性极化电阻和电化学阻抗谱等方法，对材料的局部腐蚀敏感性与钝化膜稳定性进行了系统分析。

图1 17-4PH和CORRAX® 两种PH钢的成分

结果表明，LPBF样品整体上优于铸态样品。与铸态相比，LPBF材料通常表现出更细化的晶粒和更均匀的元素分布；而铸态样品则更容易出现较大晶粒、二次δ-铁素体以及更多析出物，这些组织特征会增加局部腐蚀倾向。对应到腐蚀测试结果上，LPBF样品在失重、腐蚀坑深度和腐蚀坑面积等指标上都表现出更低的劣化程度，同时也显示出更高的点蚀电位、更高的极化电阻，以及更具保护性的氧化膜贡献。

图2 (a, c) 铸态and (b, d) 增材制造CORRAX®的组织结构

图3 对浸入样本的定量坑洞分析，显示平均深度（微米）、数量以及面积（百分比）。

更有意思的是，这两种PH钢并不是简单地“谁全面胜出”，而是体现出不同的优势。研究发现，17-4PH在 LPR和循环极化测试中展现出更高的耐蚀性和更强的再钝化能力；但在70°C条件下，CORRAX® 则表现出更好的热稳定性，其钝化膜完整性保持得更优。这个结果也提示：对于核环境用增材制造材料，评价标准不能只看单一指标，而需要结合具体温度和服役场景来理解材料优势。

图4 比较铸态和打印样品的组织结构和腐蚀后的形貌。

从增材制造角度看，这项工作的意义并不只是“补上了一组腐蚀数据”，而是进一步说明：增材制造工艺带来的快速凝固和微结构调控，不仅影响成形和力学性能，也会直接影响服役环境中的腐蚀响应。换句话说，增材的价值不应只理解为“制造复杂形状”，还应理解为“重塑材料微结构，并进一步改变服役表现”。这对于推动增材制造材料从实验室走向核能等极端环境应用，具有很现实的意义。

图5 铸态 PH 钢中微观结构不均匀性处微小电偶腐蚀起始的示意图。