腐蝕頂刊：基于水下激光增材制造技術，大幅度提高耐蝕性機制！
2024-03-19 15:47:52
作者：材料科學與工程 來源：材料科學與工程
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近日，東南大學孫桂芳教授與廣東腐蝕科學與技術創新研究院、華南理工大學韓恩厚院士團隊合作開發了水下激光直接金屬沉積技術，采用SS316L修復NV E690高強鋼形成成分梯度誘導原位相變，闡明了過電位誘導水下激光增材制造SS316L涂層鈍化膜生長動力學及其物理-化學性質演變規律。相關研究成果已于近日發表在腐蝕領域頂級期刊Corrosion Science上。
極端海洋環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構件損傷，面臨著修復難度大、成本高、周期長等難題。激光直接金屬沉積技術可實現受損工程裝備的快速高質量修復。研究人員將陸上激光直接金屬沉積技術拓展至水下環境，開發了水下激光直接金屬沉積技術（UDMD），為原位修復水下在役海工裝備提供新途徑。NV E690海工高強鋼具有優良的綜合力學性能，然而，UDMD修復的NV E690高強鋼仍然面臨嚴重的海洋腐蝕。316L不銹鋼（SS316L）具有優異的耐蝕性，采用UDMD技術在NV E690表面原位制備了SS316L涂層，可協同提升受損結構件的力學性能和防腐性能。涂層的防腐性能和涂層的鈍化行為密切相關。因此，亟需針對基于UDMD制備的SS316L涂層的鈍化行為開展系統研究。該研究基于UDMD技術制備的單層、雙層和三層SS316L涂層，針對SS316L涂層的微觀結構、電化學鈍化行為和表面化學成分開展了系統研究。結果表明，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高冷卻速率協同降低涂層的馬氏體起始溫度，從而誘導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，進而提高了涂層的耐腐蝕性能。XPS結果表明，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fA表示和化合物的熱動力學原理進行解釋。此外，涂層鈍化膜呈現雙層結構：具有高電阻率平臺的阻擋層和具有冪指數衰減電阻率的外層。其次，阻擋層可導致線性的電位降，而外層僅導致微小的電位下降，阻擋層與外層之間的電壓降可以簡化為階躍電壓降。最后，阻擋層的厚度隨過電位的增加而呈線性增長。這些結果表明基于UDMD技術制備的SS316L涂層的生長動力學支持點缺陷模型的假設。
圖1 材料及實驗方法：(a) SS316L粉末粒度分布；(b) SS316L粉末的SEM圖；(c) UDMD系統示意圖；(d) (c)中選定區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構和相表征：(a) Schaeffler-Delong圖預測相組成；(b) XRD圖譜；(c-h) 涂層上表面的EBSD掃描結果圖3 涂層表面電化學和物理參數隨外加電位的變化：(a-d) 極化電阻、CPE參數(Q, n)和鈍化膜厚度；(e-g) 鈍化膜內的電阻率分布圖；(h) 穩態阻擋層厚度與成膜電壓的關系；(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系；(e1, e2) 鈍化膜電壓降示意圖；(f) 內層電壓降，外層電壓降及其過渡區厚度
綜上所述，該研究成功實現了結構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涂層的微觀結構和電化學鈍化行為，闡明了過電位誘導UDMD-SS316L涂層鈍化膜生長動力學及其物理-化學性質演變規律。該工作不僅為原位制備結構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質量提升提供了重要的理論指導。
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