{首页主词},&

北科大《Corrosion Science》：Te對15-5PH不銹鋼耐腐蝕性能的雙重影響機制！

2023-02-07 16:53:56 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

15-5PH不銹鋼具有較高的強度和韌性，廣泛地應用于航空航天、核工業等高科技行業。然而，15-5PH不銹鋼中夾雜物的存在嚴重影響了其耐蝕性，限制了其在實際中的使用壽命和安全性。MnS是15-5PH不銹鋼中的典型夾雜物，通常為鋼材局部腐蝕的起始位置。據報道，鋼中加入Te可以有效對MnS進行改性。不銹鋼中添加Te后會形成Te-S-Mn復合夾雜物。鋼中夾雜物的電化學特性與夾雜物誘導局部腐蝕的機理直接相關。然而，目前關于Te對不銹鋼的耐腐蝕性能和局部腐蝕機理影響的研究仍然缺失。

北京科技大學李曉剛教授團隊聯合李京社教授團隊，通過微合金化對15-5PH不銹鋼中的夾雜物進行了調控。并在模擬海洋環境中研究了Te對15-5PH不銹鋼腐蝕機理的影響規律。Te元素調控有效改善了鋼中MnS夾雜的成分、形態和數量。微區電化學性能測試結果證實了MnS和鋼基體之間的電偶腐蝕作用，表明MnS以電化學溶解的方式誘發點蝕的萌生添加Te元素后，形成的含Te復合及雜物的表面電勢發生顯著改變，且具有良好的導電性，改變了點蝕萌生機理。適量添加Te元素可提高鋼材耐蝕性能。然而，由于夾雜物中含Te部分的持續陰極效應，以及大量TeO₃的溶解對鈍化膜穩定性地破壞，過量添加Te會導致耐蝕性能的退化。

相關研究成果以題為“Mechanism of the dual effect of Te addition on the localized corrosion resistance of 15-5PH stainless steel”發表在《corrosion science》上。

論文鏈接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010938X23000124

采用FE-SEM-EDS對不同樣品中的夾雜物進行了表征（圖1）。適當添加Te，鋼中尺寸較小的夾雜物明顯增多，有效降低點蝕形核率，提高鋼材耐腐蝕性能。過量添加Te導致鋼中形成較大尺寸的復合夾雜物。在嵌入夾雜/基體界面的Te與基體之間的電偶效應以及侵蝕性溶液環境的耦合作用下，暴露在凹坑中的新鮮基體會迅速溶解，導致鋼材耐腐蝕性能衰減。

圖1 （a）-（b）1#，（c）-（d）2#，（e）-（f）3#，（g）MnS-Te的三維形貌，（h）1#，2#，3#夾雜物的尺寸分布，（i）1#，2#，3#夾雜物的密度分布。

利用SKPFM和CSAFM檢測了MnS-Te復合夾雜物的局部電化學信息（圖2）。含Te復合夾雜物中，Te增加了夾雜物的Volta電位，改變了局部腐蝕機理。夾雜物和基體表現出良好的導電性，MnS-Te夾雜物與鋼基體之間存在三對電偶。

圖2 MnS-Te夾雜物的SKPFM和CSAFM測試結果，（a）MnS-Te形貌和EDS圖，（b）AFM形貌，（c）SKPFM圖，（d）CSAFM圖，（e）在（a）相同區域的AFM線輪廓分析

極化曲線測試表明適量添加Te提高了鋼材的耐蝕性（圖3）。過量添加Te，材料表現出活化性能，說明過量添加Te減弱了鋼材的耐腐蝕性能。

圖3 室溫下15-5PH馬氏體不銹鋼在1wt.%NaCl中的電位極化曲線，（a）極化曲線，（b）陽極極化曲線

在晶界處聚集的Te和夾雜物中含有的Te導致鋼表面形成含Te鈍化膜。鋼中加入過量的Te后，鈍化膜中生成大量的TeO₃，這可能導致鈍化膜的分解。隨著溶解的進行，Te的氧化物含量減少，鈍化膜的溶解速率降低。因此，3#鋼的曲線產生了波動。

圖4 2#的XPS峰分布，在不同電位下形成鈍化膜：（a1–a2）Cr2p_3/2；（b1–b2）Fe2p_3/2；（c1–c2）O1s；（d1–d2）Te3d_5/2

圖5 3#鈍化膜在不同電位下的XPS峰分布：（a1–a2）Cr2p_3/2；（b1–b2）Fe2p_3/2；（c1–c2）O1s；（d1–d2）Te3d_5/2

適量添加Te形成了小尺寸MnS-Te夾雜物，MnS優先溶解在陽極相中。在MnS完全溶解后，Te從鋼基體中釋放出來并進入溶液中。過量添加Te降低了15-5PH不銹鋼的耐蝕性，這是由于復合夾雜物中Te的持續陰極效應促進了基體的腐蝕。

圖6 （a）1#，（b）2#，（c）3#中不同夾雜物在浸泡不同時間（1）10min，（2）30min，（3）90min后局部腐蝕形貌的FE-SEM-EDS圖像

圖7 夾雜物局部腐蝕過程示意圖：（a）MnS，（b）MnS-Te

圖8 利用FactSage軟件計算了（a）Fe-Mn-S-H₂O，（b）Mn-Te-S-H₂O，（c）Fe-Te-H₂O體系在298.15K時的布拜圖

在本工作中，研究了Te對15-5PH鋼局部腐蝕機理和耐蝕性的影響。MnS-Te復合夾雜物在鋼基體中表現出良好的導電性能。Te、MnS和鋼基體之間形成了3對電偶，Te改變了MnS夾雜物誘發點蝕的機理。適量添加Te可以提高15-5PH不銹鋼的點蝕電位和耐蝕性能，過量添加Te削弱了鋼的耐腐蝕性能。隨著Te含量的增加，鈍化膜中Te的氧化物含量增加，這可能導致鈍化膜容易分解。過量添加Te，復合夾雜物中Te的持續陰極作用降低了15-5PH不銹鋼的耐蝕性。