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上海交大《Acta Materialia》：高Cr-Ni合金在高溫水蒸汽中耐腐蝕原理

2022-02-24 15:11:31 作者：材料科學(xué)與工程來源：材料科學(xué)與工程分享至：

近日，上海交通大學(xué)在高Cr-Ni合金高溫水蒸汽腐蝕機(jī)理方向取得新進(jìn)展，并在金屬結(jié)構(gòu)材料頂級期刊Acta Materialia上發(fā)表題為“Microstructure understanding of high Cr-Ni austenitic steel corrosion in high-temperature steam”的學(xué)術(shù)論文。材料學(xué)院沈朝副教授為論文的第一作者，材料學(xué)院曾小勤教授和西南交通大學(xué)吳圣川研究員為論文的通訊作者，新南威爾士大學(xué)Jianqiang Zhang教授、牛津大學(xué)Sergio Lozano-Perez和Michael Moody教授為共同作者。該工作得到重點研發(fā)項目資助（資助號YS2018YFE010246）和英國EPSRC基金資助（資助號 EP/R009392/1）。

論文鏈接

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.117634

當(dāng)金屬材料暴露在高溫水蒸汽環(huán)境下，其表面會形成一層氧化膜，而金屬材料耐腐蝕性能的好壞主要取決于表面氧化膜的特性。課題組前期分別對Fe-9Cr鋼（Z. Shen, et al., ActaMater. 194（2020） 522-539）和Fe-17Cr-9Ni鋼（Z. Shen, et al., Acta Mater. 194（2020） 522-539）在600℃高溫水蒸汽中的所形成的氧化膜進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，研究結(jié)果表明由于Cr和Ni的進(jìn)一步添加，F(xiàn)e-17Cr-9Ni鋼展現(xiàn)出了比Fe-9Cr鋼更加優(yōu)異的耐腐蝕性能，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)這兩種材料在高溫水蒸汽中均發(fā)生了內(nèi)氧化，但是由于Cr和Ni的進(jìn)一步添加，這兩種材料的表面氧化膜的微觀結(jié)構(gòu)并不相同。雖然Fe-17Cr-9Ni鋼擁有較好的耐腐蝕性能，但是文獻(xiàn)結(jié)果表明通過對Cr和Ni的進(jìn)一步添加，材料的耐腐蝕性能可以得到進(jìn)一步提升。

由于高Cr-Ni鋼的耐腐蝕性能優(yōu)異，其表面氧化磨厚度較低，研究表征相對困難，因此當(dāng)前關(guān)于高Cr-Ni鋼在高溫水蒸氣中腐蝕后其表面氧化膜的微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識尚不清楚。而通過對高Cr-Ni鋼表面氧化膜微觀結(jié)構(gòu)的高分辨研究，揭示其在高溫水蒸汽中的耐腐蝕機(jī)理，這些研究結(jié)果可以用來指導(dǎo)開發(fā)出耐腐蝕性能更加優(yōu)異的金屬材料。

主要思路

本文以Fe-21Cr-32Ni鋼為研究對象，分別將其暴露在600℃高溫水蒸汽中腐蝕48h和1500h，獲得該材料在腐蝕初期以及后期的表面氧化膜。論文綜合利用掃描電子顯微鏡（SEM）、聚焦離子束（FIB）、透射電子顯微鏡（TEM）、同軸電子背散射衍射（on-axis TKD）、三維原子探針（3D APT）等多種表征手段對不同腐蝕時間的氧化膜進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，查明高Cr-Ni鋼在不同腐蝕時間其表面氧化膜的微觀結(jié)構(gòu)，揭示了表面氧化膜微觀結(jié)構(gòu)隨著時間的演變規(guī)律。進(jìn)而，在這些高分辨微觀表征數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提出了高Cr-Ni鋼在高溫水蒸汽環(huán)境下的腐蝕機(jī)理。

研究發(fā)現(xiàn)

Fe-21Cr-32Ni鋼在腐蝕初期，氧通過晶格擴(kuò)散進(jìn)入金屬基體內(nèi)部，形成離散的Fe-Cr尖晶石氧化物顆粒，而基體中的部分金屬態(tài)Ni遷移到材料表面形成一層連續(xù)的金屬Ni層（圖1和圖2）。

圖1：Fe-21Cr-32Ni鋼腐蝕48h后表面氧化膜的截面形貌。

圖2. Fe-21Cr-32Ni鋼表面氧化膜中氧化物相和富Ni金屬相中元素的空間分布。

隨著腐蝕時間的延長，F(xiàn)e-Cr尖晶石氧化物顆粒的尺寸逐漸長大并形成一層連續(xù)的氧化層，而早期遷移到基體表面的金屬Ni層被氧化成NiO，同時基體中部分Fe2+/3+向外擴(kuò)散同NiO反應(yīng)生成一層連續(xù)的Fe-Ni尖晶石氧化層（圖3和圖4）。隨著氧化膜厚度的增加，擴(kuò)散進(jìn)入金屬基體中的氧的含量逐漸降低，此時Fe-Cr尖晶石氧化物已經(jīng)無法生成，轉(zhuǎn)而生成一層連續(xù)的熱力學(xué)更加穩(wěn)定的Cr2O3層（圖4）。連續(xù)的Cr2O3層可以進(jìn)一步抑制往金屬基體中擴(kuò)散的氧，此時已經(jīng)無法繼續(xù)生成Cr2O3，而SiO2相較于Cr2O3其熱力學(xué)更加穩(wěn)定，因此在Cr2O3層前沿生成一層SiO2層。由于Fe-21Cr-32Ni鋼中Si含量較低（0.15%wt.），SiO2層呈半連續(xù)狀態(tài)。