第一作者：趙陽      

通訊作者：花勇，張濤  

作者單位：東北大學    

論文DOI：https://doi.org/10.1016/j.corcom.2021.09.002

正文

由于陸地油氣資源的不斷消耗，人們把關注的焦點集中在對深海資源的開發與利用上。深海環境具有高壓、低溫、含氧量較低、侵蝕性強等特點。如此苛刻的環境，給深海油氣管道的選材帶來諸多困難。316L不銹鋼因具有高強度、低成本、高耐蝕性而被廣泛應用到深海石油管道的建設中，然而根據現場的數據得知，30%的油管在使用初期依然發生嚴重的穿孔甚至斷裂。剛剛投入生產的油管被迫進行維護跟修理，造成了巨大的經濟損失。目前，除了涂層和陰極保護外，激光熔覆技術作為一種新型的材料制備技術，現被廣泛應用于優化材料微觀結構，提高材料的腐蝕性能。 

激光熔覆技術是以激光束為熱源，在高溫、高真空條件下逐層精密制造復雜的金屬結構，具有加工步驟少、組織成分控制均勻等優點，目前已廣泛用于制備316L不銹鋼。Zietala等利用激光熔覆技術制備的316L不銹鋼與鑄造316L不銹鋼相比，點腐蝕電位明顯提高（約300 mV）, 其原因主要是歸于快速凝固過程中組織的細化。Sander等認為利用激光熔覆技術可以使不銹鋼中常見的MnS夾雜湮滅，亞穩態點腐蝕發生的概率降低，耐蝕性得以顯著提高。此外，Sun和Laleh等認為激光熔覆技術制備的316L不銹鋼相比于鑄造316L不銹鋼雖然具有較高的點腐蝕電位，但是其再鈍化性能較差，其原因主要是激光熔覆技術制備的316L不銹鋼內部存在細小的微孔。綜上所述，利用激光熔覆技術提高316L不銹鋼耐蝕性的機理尚不明確，并且以往的研究主要集中在常溫常壓環境，相關的腐蝕規律是否同樣適用于深海環境中尚未可知。

有鑒于此，東北大學材料科學與工程學院張濤教授、趙陽副教授所屬的“輕合金表面處理和油氣工業的腐蝕與防護”團隊發表題為“Improved corrosion performance of selective laser melted stainless steel 316L in the deep-sea environment”的研究論文。該文章著重對比了激光熔覆和鑄造316L不銹鋼在深海環境下的鈍化膜的成分、半導體性能和電化學性能。較為詳細地闡述了激光熔覆316L不銹鋼耐蝕性得以顯著提高的機理，為其在深海環境下的應用提供了數據支撐。

研究結果表明，利用激光熔覆技術可明顯提高316L不銹鋼在深海環境下的耐蝕性。激光熔覆和鑄造316L不銹鋼在深海條件下的鈍化膜成分均由晶態的Fe2O3、Cr2O3氧化物和非晶態的 Cr(OH)3氫氧化物組成。然而，激光熔覆的316L不銹鋼鈍化膜中Cr2O3所占的比例要明顯大于鑄造316L不銹鋼。兩種不銹鋼的鈍化膜均呈n型半導體特性，而激光熔覆的316L不銹鋼鈍化膜的氧空穴密度同樣明顯大于鑄造316L不銹鋼，界面處氧空穴密度的降低可以明顯提高鈍化膜的穩定性。激光熔覆316L不銹鋼耐蝕性得以明顯提高的原因是其具有更小的晶粒和更高的晶界密度。晶界可以看作是原子的擴散通道，會增強受電遷移過程控制的穩定氧化物的形成，減小受溶解再沉積控制的非穩定的氫氧化物的沉積。最終，激光熔覆316L不銹鋼的鈍化膜更加穩定，點腐蝕的萌生、成長速率均明顯降低，表現出較高的耐蝕性。

本文章是該團隊率先利用之前已經建立的“溶解-電離-沉積”(DID)模型深入理解并解決深海腐蝕領域中的傳統理論和挑戰性的工程問題。將來，我們還會以DID模型為基礎，揭示H2S-CO2腐蝕機理（陰極過程存在著復雜的電離平衡和競爭性的沉積）；深入理解Cr含量對不銹鋼腐蝕行為的影響（腐蝕領域中的傳統理論 — Cr含量的1/8定律）；揭示活性溶解、鈍化和過鈍化的轉變機制（定量計算動電位極化曲線）；建立自然環境下材料腐蝕壽命與鹽霧試驗之間的關聯（腐蝕壽命預測）；以及耐蝕不銹鋼、鎂合金和鋁合金的設計等等。

圖文解析

圖1 激光熔覆316L不銹鋼(a-c)和鑄造316L不銹鋼(d-f)的顯微組織、晶粒取向和晶粒尺寸分布圖

圖2 激光熔覆316L不銹鋼和鑄造316L不銹鋼在深海環境下動電位極化曲線

圖3 激光熔覆316L不銹鋼和鑄造316L不銹鋼在深海環境下鈍化膜成分對比

圖4 激光熔覆316L不銹鋼和鑄造316L不銹鋼在深海環境下鈍化膜的載荷-深度曲線圖(a)和硬度及模量圖(b)

圖5 激光熔覆316L不銹鋼和鑄造316L不銹鋼在深海環境下點腐蝕的累積概率圖(a)、Gumbel分布圖(b)和成長概率圖(c)

作者簡介

趙陽，2018年畢業于哈爾濱工程大學獲博士學位，東北大學副教授。主要從事油氣工業的腐蝕與防護。在國際上率先通過修正熱力學參數，綜合考慮合金組元與H2O、離子的共同作用，建立了系列性的高溫高壓“Fe-Cr-Cl--CO2-H2O”五元E-pH圖。從熱力學角度指導苛刻油氣環境下油井管選材。英國科學院/工程院兩院院士A. Neville 教授對E-pH圖工作給予了高度評價。在此基礎上，從動力學角度發展出“多自由度腐蝕壽命預測技術”，預測結果與現場數據高度吻合。相關成果被中石化西北局作為油井管選材的重要依據，目前正在進行現場試采試驗。最后打通了腐蝕熱力學和動力學之間的壁壘，提出了“溶解-電離-沉積圖，DID的概念”，利用該模型初步開發了HP-13Cr-Cu不銹鋼有效解決了HP-13Cr不銹鋼在高溫高壓H2S環境下應力腐蝕斷裂的問題。目前發表SCI論文20篇，申請專利2項。應邀在第六屆全國腐蝕大會上做特邀報告1次、CORSYM-2019會議上做Keynote報告1次。主持國家自然科學基金青年項目、中國博士后基金、中石化項目2項。入選第六屆“中國科協青年人才托舉工程” ，榮獲2021年中國腐蝕與防護學會科學技術獎一等獎。兼職國際期刊《Journal of Materials Science & Technology》、《Acta Metallurgica Sinica (English Letters)》、《Corrosion Communication》、核心期刊《中國腐蝕與防護學報》長期審稿人。