腐蝕頂刊：基于水下激光增材制造技術(shù)，大幅度提高耐蝕性機(jī)制！
2024-02-26 13:50:50
作者：材料科學(xué)與工程 來源：材料科學(xué)與工程
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近日，東南大學(xué)孫桂芳教授與廣東腐蝕科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院、華南理工大學(xué)韓恩厚院士團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)了水下激光直接金屬沉積技術(shù)，采用SS316L修復(fù)NV E690高強(qiáng)鋼形成成分梯度誘導(dǎo)原位相變，闡明了過電位誘導(dǎo)水下激光增材制造SS316L涂層鈍化膜生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)及其物理-化學(xué)性質(zhì)演變規(guī)律。相關(guān)研究成果已于近日發(fā)表在腐蝕領(lǐng)域頂級(jí)期刊Corrosion Science上。
極端海洋環(huán)境極易造成海洋工程（海工）裝備的損傷失效，水下在役海工裝備結(jié)構(gòu)件損傷，面臨著修復(fù)難度大、成本高、周期長(zhǎng)等難題。激光直接金屬沉積技術(shù)可實(shí)現(xiàn)受損工程裝備的快速高質(zhì)量修復(fù)。研究人員將陸上激光直接金屬沉積技術(shù)拓展至水下環(huán)境，開發(fā)了水下激光直接金屬沉積技術(shù)（UDMD），為原位修復(fù)水下在役海工裝備提供新途徑。NV E690海工高強(qiáng)鋼具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，然而，UDMD修復(fù)的NV E690高強(qiáng)鋼仍然面臨嚴(yán)重的海洋腐蝕。316L不銹鋼（SS316L）具有優(yōu)異的耐蝕性，采用UDMD技術(shù)在NV E690表面原位制備了SS316L涂層，可協(xié)同提升受損結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能和防腐性能。涂層的防腐性能和涂層的鈍化行為密切相關(guān)。因此，亟需針對(duì)基于UDMD制備的SS316L涂層的鈍化行為開展系統(tǒng)研究。該研究基于UDMD技術(shù)制備的單層、雙層和三層SS316L涂層，針對(duì)SS316L涂層的微觀結(jié)構(gòu)、電化學(xué)鈍化行為和表面化學(xué)成分開展了系統(tǒng)研究。結(jié)果表明，從單層到三層SS316L涂層Cr和Ni含量逐漸提高而Fe含量逐漸降低，這種正耐蝕元素梯度和UDMD高冷卻速率協(xié)同降低涂層的馬氏體起始溫度，從而誘導(dǎo)了馬氏體到奧氏體的原位相變。涂層的正耐蝕元素梯度形成更致密的鈍化膜，進(jìn)而提高了涂層的耐腐蝕性能。XPS結(jié)果表明，所有涂層的鈍化膜富含Cr元素但貧Fe和Ni元素。與此相反，在鈍化膜下方的改變層富含Ni元素但貧Cr和Fe元素。這種鈍化膜上元素的富集或貧乏可用元素富集系數(shù)fA表示和化合物的熱動(dòng)力學(xué)原理進(jìn)行解釋。此外，涂層鈍化膜呈現(xiàn)雙層結(jié)構(gòu)：具有高電阻率平臺(tái)的阻擋層和具有冪指數(shù)衰減電阻率的外層。其次，阻擋層可導(dǎo)致線性的電位降，而外層僅導(dǎo)致微小的電位下降，阻擋層與外層之間的電壓降可以簡(jiǎn)化為階躍電壓降。最后，阻擋層的厚度隨過電位的增加而呈線性增長(zhǎng)。這些結(jié)果表明基于UDMD技術(shù)制備的SS316L涂層的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)支持點(diǎn)缺陷模型的假設(shè)。
圖1 材料及實(shí)驗(yàn)方法：(a) SS316L粉末粒度分布；(b) SS316L粉末的SEM圖；(c) UDMD系統(tǒng)示意圖；(d) (c)中選定區(qū)域的部分放大圖及其沉積策略
圖2 各試樣上表面的微觀結(jié)構(gòu)和相表征：(a) Schaeffler-Delong圖預(yù)測(cè)相組成；(b) XRD圖譜；(c-h) 涂層上表面的EBSD掃描結(jié)果圖3 涂層表面電化學(xué)和物理參數(shù)隨外加電位的變化：(a-d) 極化電阻、CPE參數(shù)(Q, n)和鈍化膜厚度；(e-g) 鈍化膜內(nèi)的電阻率分布圖；(h) 穩(wěn)態(tài)阻擋層厚度與成膜電壓的關(guān)系；(i) 莫特-肖特基圖和施主密度圖4 所有涂層在0.6 M NaCl溶液開路電位下形成的鈍化膜的XPS反卷積圖譜：(a, d, g) Cr 2p3/2；(b, e, h) Fe 2p3/2；(c, f, i) Ni 2p3/2
圖5 涂層表面鈍化膜的電位降分布：(a-c) 單層SS316L，雙層SS316L和三層SS316L涂層表面鈍化膜的電壓降分布；(d) 鈍化膜總電壓降和施加電位的關(guān)系；(e1, e2) 鈍化膜電壓降示意圖；(f) 內(nèi)層電壓降，外層電壓降及其過渡區(qū)厚度
綜上所述，該研究成功實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)耐蝕涂層水下激光增材一體化再制造(UDMD)，定量研究了UDMD制備的316L涂層的微觀結(jié)構(gòu)和電化學(xué)鈍化行為，闡明了過電位誘導(dǎo)UDMD-SS316L涂層鈍化膜生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)及其物理-化學(xué)性質(zhì)演變規(guī)律。該工作不僅為原位制備結(jié)構(gòu)耐蝕涂層提供了新思路和方法，也為水下冶金過程控制和修復(fù)質(zhì)量提升提供了重要的理論指導(dǎo)。
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