江蘇大學(xué)魯金忠團(tuán)隊(duì)腐蝕頂刊:激光沖擊強(qiáng)化顯著提升馬氏體不銹鋼耐蝕性能!
馬氏體不銹鋼由于其優(yōu)良的機(jī)械性能和耐蝕性,在渦輪葉片、油氣閥、蒸汽發(fā)生器、核電站等行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。然而,較高的Cr含量和少量C元素在回火的過(guò)程中可能導(dǎo)致富Cr碳化物和貧Cr區(qū)的形成,最終導(dǎo)致局部點(diǎn)蝕的發(fā)生。激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)(LSP: Laser shock peening),作為一種較新的表面塑性變形強(qiáng)化技術(shù),通過(guò)改變表層材料的微觀組織和殘余應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)而影響金屬材料的腐蝕行為。針對(duì)馬氏體不銹鋼的LSP強(qiáng)化處理,近年來(lái)的研究主要集中在LSP帶來(lái)的殘余壓應(yīng)力、力學(xué)/疲勞性能的改善以及晶粒細(xì)化等方面,很少有研究涉及LSP誘導(dǎo)的表面改性對(duì)馬氏體不銹鋼腐蝕性能的影響。先前的研究表明,LSP誘導(dǎo)的超高應(yīng)變率激光沖擊波可以使得富Cr碳化物發(fā)生明顯的碳化物碎化和溶解現(xiàn)象。此外,由于C和Cr元素在納米晶和高密度位錯(cuò)中的快速擴(kuò)散率,塑性變形誘導(dǎo)的納米碳化物析出變得有可能。上述微觀組織的變化都極大地影響著馬氏體不銹鋼的腐蝕行為,因此,有必要系統(tǒng)地研究LSP引起的基體和碳化物的變化對(duì)AISI 420馬氏體不銹鋼腐蝕性能的影響。
來(lái)自江蘇大學(xué)的王長(zhǎng)雨博士(第一作者)和魯金忠教授(通訊作者)等人研究了LSP對(duì)AISI 420馬氏體不銹鋼表面粗糙度、殘余應(yīng)力、微觀組織以及電化學(xué)/長(zhǎng)時(shí)間浸泡腐蝕行為(3.5 wt.% NaCl溶液)的影響。通過(guò)透射電鏡觀察和能譜元素面掃,對(duì)激光沖擊波作用下馬氏體基體和碳化物的變化進(jìn)行了表征;利用對(duì)動(dòng)電位極化曲線和不同浸泡時(shí)間下電化學(xué)阻抗譜的測(cè)量分析腐蝕行為;并對(duì)浸泡后的腐蝕表面進(jìn)行詳盡的點(diǎn)蝕坑表征和鈍化膜成分分析;最后討論了LSP誘導(dǎo)的多種表面改性對(duì)AISI 420馬氏體不銹鋼腐蝕性能提升的影響機(jī)理。相關(guān)論文以題為“Obvious improvement in electrochemical and long-term immersion corrosion resistance of AISI 420 martensitic stainless steel using laser shock peening”發(fā)表在Corrosion Science。
論文鏈接:
https://doi.org/10.1016/j.corsci.2022.110688
結(jié)果表明:LSP在AISI 420馬氏體不銹鋼表面誘導(dǎo)明顯的表面粗化、高幅值殘余壓應(yīng)力、馬氏體板條納米化、富Cr碳化物分解和納米碳化物析出等現(xiàn)象。
圖1 LSP誘導(dǎo)的表面粗化和殘余壓應(yīng)力層
圖2 LSP誘導(dǎo)的基體納米化、富Cr碳化物分解和納米碳化物析出
LSP使得AISI 420馬氏體不銹鋼的鈍化電流密度降低~98.1%,并且導(dǎo)致點(diǎn)蝕電位提升~89.5%。在3.5 wt.% NaCl溶液浸泡不同時(shí)間后(0、1、3、7、15和30天)的電化學(xué)阻抗譜數(shù)據(jù)說(shuō)明LSP試樣表面的鈍化膜表現(xiàn)出更好的耐蝕性。未處理試樣在浸泡1天后,表面出現(xiàn)明顯的銹蝕現(xiàn)象,在浸泡30天后,銹蝕加劇,點(diǎn)蝕坑深度達(dá)到~189.92 μm;而LSP試樣即使在浸泡30天后表面也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的銹蝕,但是從高倍SEM圖發(fā)現(xiàn)表面發(fā)現(xiàn)大量亞微米/納米級(jí)腐蝕坑,可測(cè)得的點(diǎn)蝕坑深度只有~0.23 μm。
圖3 動(dòng)電位極化曲線和腐蝕坑尺寸統(tǒng)計(jì)
圖4 不同浸泡時(shí)間下的電化學(xué)阻抗譜數(shù)據(jù)
圖5 浸泡30天后的宏觀腐蝕形貌
圖6 浸泡30天后的微觀腐蝕形貌
圖7 浸泡30天后的點(diǎn)蝕坑尺寸
圖8 浸泡30天后的表面鈍化膜成分
總的來(lái)說(shuō),LSP帶來(lái)的富Cr碳化物分解和基體納米化促進(jìn)表面富Cr鈍化膜的形成,顯著提升了AISI 420馬氏體不銹鋼的抗電化學(xué)和長(zhǎng)時(shí)間浸泡腐蝕性能。雖然LSP誘導(dǎo)的表面粗化和納米碳化物析出會(huì)導(dǎo)致潛在的腐蝕萌生點(diǎn)數(shù)量增加,但是殘余壓應(yīng)力、納米晶和碳化物分解對(duì)腐蝕性能的提升作用占據(jù)主導(dǎo)地位。
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