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  2. 北科大腐蝕頂刊:熱處理對含Te 15-5PH不銹鋼耐蝕性的影響機制
    2023-12-05 16:26:04 作者:腐蝕與防護 來源:腐蝕與防護 分享至:

     

    北京科技大學團隊研究了Te和熱處理對15-5PH鋼的耐蝕機理。含Te 15-5PH鋼在熱處理后基體位錯密度下降,腐蝕傾向降低。熱處理顯著影響了Te改性夾雜物與鋼基體之間的電位差。不銹鋼由活化狀態轉變為鈍化狀態,抗腐蝕性能提高。熱處理后鋼材鈍化膜的缺陷密度降低,促進了Cr、Te和TeO3在鈍化膜中的富集,提高了鈍化膜的穩定性和耐蝕性。通過Te的陽極氧化形成的難溶或緩慢溶解的碲酸鹽膜,以及TeO3的自修復特性,提高了鈍化膜的再鈍化能力。

    隨著社會的發展,耐腐蝕金屬材料被認為是克服鋼鐵材料固有的易腐蝕缺陷的重要發展方向。眾所周知,材料的顯微組織、夾雜物、合金成分,甚至腐蝕產物(如不銹鋼表面鈍化膜)都對材料的耐腐蝕性能有著重要的影響。因此,國際上眾多研究人員開始嘗試通過調節上述因素來提高材料的耐腐蝕性能。15-5PH不銹鋼作為一種馬氏體不銹鋼其本身的耐點蝕性能并不優異,材料中的夾雜物等因素是影響其耐腐蝕性能的主要因素。
    Te處理技術是近年來發展起來的一種新型夾雜物調制技術,可以有效改善鋼中夾雜物的物理化學性質,提高鋼的性能。之前的研究結果表明,在合理的Te元素含量區間內,可以有效地對15-5PH鋼中的夾雜物進行改性,改變材料的理化性能,鈍化膜層中的組織和成分,進而增強材料的耐蝕性。在早期的研究中,我們發現添加適量的Te可以改善鋼的性能,含Te不銹鋼的耐腐蝕性能取決于Te的添加量。熱處理不僅影響鋼中組織微觀結構的重構、應力場的分布,還可能對材料中合金元素的分布產生影響。這些變化勢必會對材料的耐腐蝕性能產生影響。

    基于以上技術,北京科技大學的研究人員以含Te 15-5PH鋼為研究對象,采用多尺寸結構表征和先進的微區電化學技術研究了熱處理工藝對含Te不銹鋼耐腐蝕性能的影響規律和機制

    區別于先前的研究,他們的工作更關注熱處理引起的含Te鋼鈍化膜特性差異及其對鈍化膜溶解和點蝕形成的影響。
    研究采用新的合金化(Te處理)調制后,熱處理對15-5PH鋼耐腐蝕性能的影響規律和機制。在15-5PH不銹鋼中添加適量的Te元素,其耐蝕性能顯著提高。熱處理降低了基體和夾雜物周圍的晶格畸變,不銹鋼整體腐蝕傾向降低。由于熱處理的作用,不銹鋼從活化轉化為穩定的鈍化,耐蝕性顯著提高。熱處理可以顯著改變Te變質夾雜物與鋼基體之間的電位差,進而影響點蝕萌生的驅動力。鋼中應力分布場的變化同樣會對Te改性夾雜物誘發的點蝕行為產生顯著影響,進而影響材料的耐腐蝕性能。含Te鋼熱處理后保護電位升高,不銹鋼鈍化能力增強。通過Mott-Schottky和XPS測試發現,熱處理后15-5PH不銹鋼表面的鈍化膜缺陷明顯減少,而鈍化膜中的Cr、Te含量發生了明顯變化,進而提高了材料的耐蝕性。熱處理促進了Cr、Te和TeO3在鈍化膜中的富集。通過Te的陽極氧化形成的難溶或緩慢溶解的碲酸鹽膜,以及TeO3的自修復特性,提高了鈍化膜的再鈍化能力。

    圖1 含Te 15-5PH鋼在熱處理前(a)和熱處理后(b)的光學顯微鏡照片和TEM圖像,熱處理后含Te鋼馬氏體板條變寬,鋼中位錯密度下降,析出相的尺寸略微變大。

    圖2 熱處理前后試樣的EBSD結果:(a,b)反極圖的晶粒取向;(c-e)色編碼映射的籽粒平均取向差,熱處理后的含Te鋼基體具有更低的位錯密度,說明熱處理后的樣品處于更低的應力狀態。

    圖3 含Te 15-5PH鋼熱處理前(a)和熱處理后(b)MnS-Te區域的EBSD結果。(1)靶區的FE-SEM圖像;(2)靶區的平均位錯密度圖(KAM),熱處理后夾雜物周圍晶格畸變更低,夾雜物腐蝕傾向減弱。

    圖4 含Te 15-5PH鋼中MnS-Te夾雜物的SKPFM和CSAFM結果:(a)熱處理前;(b)熱處理后。熱處理后夾雜物和基體的電勢差降低,降低了夾雜物的腐蝕傾向。

    圖5 含Te 15-5PH鋼在3.1 wt.% NaCl溶液中的電位極化曲線,熱處理后鋼材由活化轉化為了鈍化,含Te不銹鋼的耐腐蝕性明顯增強。

    圖6 含Te 15-5PH鋼在NaCl溶液中的Mott-Schottky圖,熱處理后形成的鈍化膜具有更無序的結構,溶液/金屬界面處的電化學反應減少,提高了鈍化膜的穩定性。

    圖7 熱處理前后含Te 15-5PH鋼的循環伏安曲線,熱處理后含Te鋼的保護電位較高,鋼材鈍化能力增強。

    圖8(a)含Te 15-5PH鋼鈍化膜中Cr、Fe、Te和Cu的原子濃度;(b)含Te 15-5PH鋼鈍化膜中Cr、Fe、Te和Cu化合物的相對含量,熱處理促進了Cr、Te和TeO3在鈍化膜中的富集,提高了鈍化膜的穩定性。

    圖9 含Te的15-5PH鋼(a)熱處理前和(b)熱處理后的局部腐蝕過程圖,熱處理后,不銹鋼表面的位錯密度降低,基體的腐蝕風險降低。Cr在鈍化膜中的富集和TeO3含量的增加降低了基體腐蝕的傾向。

    圖10 MnS-Te夾雜物的腐蝕機理圖,在MnS-Te復合夾雜物中,MnS作為陽極相優先溶解。隨著腐蝕的進行,Te最終溶解。
    北京科技大學的研究人員在本工作中研究了熱處理工藝對含Te 15-5PH鋼耐腐蝕性能的影響機制。主要結論歸納如下:
    (1)熱處理增大了不銹鋼中馬氏體板條和析出相的尺寸,減小了基體和夾雜物周圍的晶格畸變。基體的整體腐蝕傾向降低,鋼的耐腐蝕性能提高。
    (2)由于熱處理的作用,不銹鋼經歷了從活化到穩定鈍化的轉變,耐蝕性顯著提高。此外,熱處理導致含Te鋼的保護電位升高,從而提高其鈍化能力。
    (3)含Te鋼的鈍化膜表現出n型半導體特性。熱處理過程減緩了鈍化膜內陽離子空位的遷移,從而有效降低了氯離子的特征吸附,增強了膜層穩定性。

    (4)熱處理促進了Cr、Te和TeO3在鈍化膜中的富集。TeO3的水解和沉淀在一定程度上賦予了鈍化膜自修復能力。通過Te陽極氧化形成難溶或緩慢溶解的碲酸鹽膜,提高了鋼鈍化膜的再鈍化能力。 



     

    本研究確定了熱處理對含Te馬氏體不銹鋼耐腐蝕性能的影響機制,對于指導新型耐蝕不銹鋼工業生產中鈍化膜的控制具有重要意義。相關研究成果已發表在Corrosion Science上。

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