導讀：在煉鋼過程中產生的不可避免的非金屬夾雜物是致命的缺陷，往往會引起鋼材嚴重的腐蝕失效，導致災難性事故和巨大的經濟損失。在過去的幾十年里，為解決這一難題做出了廣泛的努力，但都沒有成功。在此，我們提出了一種用耐腐蝕鈮裝甲( Z相)包裹有害夾雜物的策略。經過系統的理論篩選，我們將微量Nb引入到雙相不銹鋼( DSSs )中，形成夾雜物@ Z核殼結構，從而將夾雜物與腐蝕環境隔離。此外，Z相及其周圍基體均具有優異的耐腐蝕性能。因此，該策略有效地防止了夾雜物引起的腐蝕，從而雙重提高了DSS的耐腐蝕性能。我們的策略克服了長期存在的"夾雜物引起的腐蝕失效"問題，并在一系列DSS和工業生產中被驗證為通用技術。

腐蝕是造成鋼鐵材料失效的主要原因之一，不僅會導致災難性的安全和環境事故，還會造成巨大的經濟損失。據此，設計了一系列耐腐蝕不銹鋼(包括奧氏體、鐵素體和雙相鋼等。)，以滿足長壽命、穩定服役的要求。然而，這些不銹鋼在高氯離子濃度、高溫、高壓的惡劣環境中服役時，仍然會發生嚴重的腐蝕失效。在煉鋼過程中不可避免地產生的非金屬夾雜物是眾所周知的腐蝕失效誘因之一，其引發腐蝕的機制主要分為兩類：圍繞夾雜物形成的微缺陷(元素偏析、微裂紋形成、局部應力集中等。)和導電夾雜物與鋼基體之間形成的微電偶。針對這一難題，煉鋼過程中常采用深脫氧脫硫和夾雜物變性處理，以減輕等不良夾雜物的有害影響。然而，這些方法并不十分有效。夾雜物或周圍基體仍會發生腐蝕，因此耐腐蝕性能提升非常有限。迄今為止，仍然沒有一種有效的方法可以完全防止夾雜物引起的腐蝕失效。這已成為鋼筋腐蝕防護長期科學和工程實踐中的瓶頸問題。

根據經典理論，在液體和固體中，形核幾乎總是不均勻的，夾雜物往往可以作為合適的形核位置。受這種現象的啟發，我們是否可以在夾雜物周圍析出耐腐蝕相，并通過一些處理將夾雜物包裹起來?微合金化可能是一種可行的策略，因為鋼中的微合金化元素( Ti、V、Nb等。)很容易與C和/或N結合形成碳化物、氮化物和碳氮化物等析出物。如果這種策略可以實現，那么一定的裝甲狀沉淀物將包裹夾雜物并將其與腐蝕環境隔離，從而有效地防止局部腐蝕。然而，盡管Nb、Ti微合金化在雙相不銹鋼( DSSs )中已有一定的應用，但相關研究主要集中在其對含Nb / Ti相、鉻碳化物和金屬間化合物相的析出，以及相應的熱加工性能、力學性能和耐腐蝕性能的影響。此外，還通過添加Mo或W等合金元素來提高DSSs的耐腐蝕性能。然而，這些方法并不能解決夾雜物引起的局部腐蝕問題。據我們所知，目前還沒有通過應用微合金化技術將耐腐蝕析出相包裹夾雜物以提高DSSs耐腐蝕性能的報道。

在這項工作中，東北大學李花兵教授團隊提出了一種通過用耐腐蝕的鈮裝甲( Z相)包裹有害夾雜物來顯著提高DSS耐腐蝕性能的策略。首先通過系統的理論計算比較了Ti、V和Nb元素用于實施策略的可行性，最終選擇Nb作為理想的微合金化元素。以S32205 DSS為例，通過添加微量Nb進行微合金化來實現這一策略。在最終制備的鋼中，含Nb的Z相確實包裹了夾雜物，形成了夾雜物@ Z核殼結構，從而將夾雜物與腐蝕環境隔離開來。此外，Z相及其周圍基體均具有優異的耐腐蝕性能。因此，該策略有效地防止了夾雜物引起的腐蝕，雙重提高了S32205 DSS的耐腐蝕性能。最后，團隊驗證了該策略可以普遍應用于一系列DSS以及工業生產中。相關研究成果以題“Design for improving corrosion resistance of duplex stainless steels by wrapping inclusions with niobium armour”發表在nature communications上。

鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-43752-8

圖1：微合金化S32205雙相不銹鋼的Thermo-Calc結果。含0.25 wt . % Ti、0.25 wt . % V和0.25 wt . % Nb的S32205雙相不銹鋼中相的析出行為。淺藍色遮蔽區域代表了熱加工和熱處理的大致溫度范圍。( a )、( b )和( c )中的化學成分分別為d ( Cr、Ti)N、e ( Cr、V)N、f Z相和( Cr、Nb)N。( Cr、Ti)N、( Cr、V)N和( Cr、Nb)N屬于MN型析出相，其定義分別基于( d )、( e )和( f )中的計算成分。源數據以源數據文件的形式提供。

圖2為包合物@ Z核殼結構的表征。固溶態S32205雙相不銹鋼中夾雜物和Z相的存在狀態：a 0 Nb，b 0.10 Nb和c 0.25 Nb。三角形、圓形和方形分別表示單個夾雜物、夾雜物被Z相部分包裹和完全包裹。插入物呈現單包合物和包合物@ Z核殼結構的形貌。d Z相的平均等效直徑( d )和數密度( NA )。( d )中的所有誤差條表示標準差( n = 30次獨立實驗) . e Z相包裹的夾雜物比例. f EDS元素面掃描0.25 Nb鋼中夾雜物@ Z核殼結構. g TEM，HRTEM圖像和0.25 Nb鋼中夾雜物@ Z核殼結構的相關衍射花樣. ( g )中MA為鋁酸鎂夾雜物的簡稱，( g )中δ為鐵素體相。源數據以源數據文件的形式提供。

圖3：S32205雙相不銹鋼的電化學和浸泡腐蝕行為。在72℃( p H 8.2 )雙濃度模擬海水中的電化學腐蝕行為：b0Nb和c0.25 Nb鋼的動電位極化曲線和腐蝕形貌。在50℃、6 % FeCl3溶液中浸泡12 h的腐蝕行為：d腐蝕速率，e試樣表面點蝕坑數量，f最大點蝕坑直徑，g最大點蝕坑深度。( d )和( e )中的所有誤差條表示標準差( n = 3次獨立實驗)。源數據以源數據文件的形式提供。

圖4為S32205雙相不銹鋼浸泡腐蝕前后的表征。( a , c)和( b ,d)在50°C的6 % FeCl3溶液中浸泡腐蝕前的SEM形貌(左)和AFM形貌(右) b 12 h和d 10 d。0 Nb鋼中a，b鋁酸鎂- MnS夾雜和0.25 Nb鋼中c，d鋁酸鎂-MnS @ Z核殼結構。浸泡腐蝕前鋁酸鎂- MnS @ Z核殼結構的SEM形貌和f SKPFM圖。( f )中箭頭線標記的沿鋁酸鎂- MnS @ Z核殼結構的伏打電位變化。( g )中MA為鋁酸鎂包裹體的縮寫。源數據以源數據文件的形式提供。

圖5為Nb微合金化技術的普適性。采用Thermo-Calc計算了Nb含量為0.25 wt . %的系列DSSs中含Nb相的析出行為。b S32101、c S32750和d工業S32205雙相不銹鋼在72°C ( pH 8.2 )雙濃度模擬海水中微合金化和不含0.25 wt . % Nb的動電位極化曲線。插入物呈現出單一包合物和包合物@ Z核殼結構的形貌。源數據以源數據文件的形式提供。

綜上所述，李花兵教授團隊采用鈮裝甲( Z相)包裹有害夾雜物的策略克服了長期存在的"夾雜物引起的腐蝕失效"問題，從而顯著提高了DSS的耐腐蝕性能。該技術已在一系列DSS和工業生產中得到驗證，具有普適性。顯然，該策略為不銹鋼的腐蝕防護鋪平了道路，代表了確保DSSs構建的高端設備長壽命和安全運行的進步。