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2205双相不锈钢局部腐蚀与钝化性能研究

张建涛  
【摘要】:双相不锈钢是固溶组织中体心立方结构的铁素体相与面心立方结构的奥氏体相共存的高性能不锈钢,两相比例相当,兼有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的特点,是一种强度高、耐蚀性能优良的结构、功能一体化材料。近年来,在海洋、石油、化工、造纸、勘探等重要领域成功得到广泛的应用,成为不可或缺的结构功能材料。双相不锈钢在一定的服役介质中会发生局部腐蚀,最终导致工程失效。因此,对于双相不锈钢耐蚀性能的影响因素的研究对于进一步利用和提高材料耐蚀能力至关重要。本论文采用金相显微镜、3D显微镜系统、扫描电子显微镜SEM、扫面电子探针显微镜EPMA、Factsage 7.0热力学软件、电子背散射技术EBSD、X-射线表面分析技术XPS、扫描Kelvin探针力显微镜SKPFM、在线气体质谱仪等手段,结合动电位极化、电化学阻抗谱EIS、Mott-Schottky曲线等电化学测试对影响2205双相不锈钢耐蚀能力的部分主要因素进行了研究。主要包括固溶处理制度对两相组织的演变及耐蚀性能的影响规律;高温固溶处理过程中相转变的机制;合金元素Ti与Nb的添加对双相不锈钢微观组织及耐蚀性能的影响情况及机理;服役环境中侵蚀性S2O32-对Cl-溶液中2205双相不锈钢点蚀性能影响的机理的探究。主要研究成果如下:1)固溶温度升高,发生γ→α相转变,两相比例趋于相当,不锈钢耐蚀性能提高,在1075℃固溶处理2 h,耐蚀能力最强;进一步升高固溶温度或过度延长等温时效会使双相不锈钢中铁素体含量过高,双相不锈钢耐蚀性能恶化。在NaCl溶液中点蚀优先在耐蚀性能较弱的相中或在奥氏体-铁素体边界处较弱相一侧萌生,奥氏体相内点蚀坑的深度或尺寸小于在铁素体内的深度或尺寸。2)利用环境球差校正透射电镜ETEM在线原位发现双相不锈钢在固溶处理过程铁素体相在奥氏体相内形核并长大,因此高温γ→α存在形核长大机制。元素Cr与Mo会由奥氏体相迁移扩散至边界层,使得边界层内铁素体相的形成与稳定元素浓度达到铁素体所需浓度而转变为铁素体相;元素Ni与N则作为奥氏体形成与稳定元素由铁素体相内跨过边界层扩散至奥氏体相内。因此,固溶过程相转变的实质是合金元素由化学势较高的区域扩散至化学势较低的区域,最终达到稳态的固相互扩散过程。同时观察到铁素体相沿(110)面的生长,而且铁素体相与奥氏体相以层状形式长大。3)铁素体与奥氏体相的比例随着铁素体形成与稳定元素Ti的含量略有增加,合金元素Ti对2205双相不锈钢晶粒组织起到一定的细化作用,可以有效抑制Cr的碳化物与σ相等有害相的析出,从而可以明显提高不锈钢的点蚀电位,降低不锈钢的腐蚀电流密度。但过量的Ti导致双相不锈钢的耐点蚀能力降低,合适的添加量不超过0.013 wt.%。添加Ti的双相不锈钢表面钝化膜中元素Ti富集,Cr2O3的比例增加,钝化膜中六价钼Mo6+的含量增加,有效的提高了双相不锈钢表面钝化膜的稳定性,从而提高了不锈钢的耐蚀能力。另外,对比了添加同样含量的合金元素Ti与Nb,发现Ti与Nb都可以提高不锈钢的耐点蚀能力,但是Ti元素的有益作用优于Nb元素。4)2205双相不锈钢中的氧化物夹杂由于与钢基体的异质性会引发点蚀的萌生,其中O-Mn-Cr-Si-Ca夹杂物主要分布在奥氏体相内,且夹杂物分为两部分,内侧的富Ca、Si的表面电势明显较低的中心部分在侵蚀性环境中成为活性区域而优先发生溶解,随后扩展至外侧的富Cr的表面电势稍低于夹杂物周围不锈钢基体的环形区域,最终引发钢基体点蚀的萌生。在同样的条件下,经Ce改性后的Ce-氧化物夹杂整体变均匀,且表面电势提高,活性较低,稳定性提高,双相不锈钢的耐蚀能力提高。其中的O-Al-Ca-Si夹杂物在奥氏体与铁素体相内均有分布,但在奥氏体相中夹杂物表面电势较低,在侵蚀性溶液中会在较低的电位下发生溶解,而在铁素体相中夹杂物表面电势较基体而言偏高。由此,奥氏体相中腐蚀行为主要从氧化物夹杂开始溶解,向夹杂物和基体之间的界面传播,最终导致不锈钢稳态点蚀。铁素体相内的夹杂物相对于基体而言较为稳定。5)S2O32-的加入会降低Cl-溶液中2205双相不锈钢的点蚀电位,且S2O32-的浓度对不锈钢的腐蚀行为有明显的影响,并观察到铁素体相的选择性溶解。S2O32-对钝化膜的不利作用取决于阳极电位,在较低电位下,Cl-与S2O32-存在竞争作用,在较高阳极电位下,Cl-与S2O32-起到协同作用,S2O32-促进了稳态点蚀的产生。Cl--S2O32-溶液中不锈钢表面钝化膜表现为n-型和p-型半导体特性,S2O32-的浓度对不同阳极电位区间内钝化膜的施主密度和受主密度有一定的影响,从而影响钝化膜的耐蚀性能。在高阳极电位下,S2O32-加速了钝化膜的溶解,促进了 Cr(Ⅲ)氧化为Cr(Ⅵ),导致膜内Cr2O3含量降低,性能恶化。高阳极电位下不锈钢溶解过程中S2O32-被还原为H2S从而催化阳极溶解。


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