導(dǎo)讀：在煉鋼過程中產(chǎn)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(yán)重的腐蝕失效，導(dǎo)致災(zāi)難性事故和巨大的經(jīng)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(jīng)過系統(tǒng)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(jié)構(gòu)，從而將夾雜物與腐蝕環(huán)境隔離。此外，Z相及其周圍基體均具有優(yōu)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(yè)生產(chǎn)中被驗證為通用技術(shù)。

腐蝕是造成鋼鐵材料失效的主要原因之一，不僅會導(dǎo)致災(zāi)難性的安全和環(huán)境事故，還會造成巨大的經(jīng)濟損失。據(jù)此，設(shè)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(wěn)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(huán)境中服役時，仍然會發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕失效。在煉鋼過程中不可避免地產(chǎn)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(fā)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(yīng)力集中等。)和導(dǎo)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(fā)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(xué)和工程實踐中的瓶頸問題。

根據(jù)經(jīng)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(xiàn)象的啟發(fā)，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(jié)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(xiàn)，那么一定的裝甲狀沉淀物將包裹夾雜物并將其與腐蝕環(huán)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(yīng)用，但相關(guān)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(yīng)的熱加工性能、力學(xué)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(jù)我們所知，目前還沒有通過應(yīng)用微合金化技術(shù)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(xué)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(tǒng)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(xiàn)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(jié)構(gòu)，從而將夾雜物與腐蝕環(huán)境隔離開來。此外，Z相及其周圍基體均具有優(yōu)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(yīng)用于一系列DSS以及工業(yè)生產(chǎn)中。相關(guān)研究成果以題“Design for improving corrosion resistance of duplex stainless steels by wrapping inclusions with niobium armour”發(fā)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(jié)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(qū)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(xué)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(shù)據(jù)以源數(shù)據(jù)文件的形式提供。

圖2為包合物@ Z核殼結(jié)構(gòu)的表征。固溶態(tài)S32205雙相不銹鋼中夾雜物和Z相的存在狀態(tài)：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(xiàn)單包合物和包合物@ Z核殼結(jié)構(gòu)的形貌。d Z相的平均等效直徑( d )和數(shù)密度( NA )。( d )中的所有誤差條表示標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu). g TEM，HRTEM圖像和0.25 Nb鋼中夾雜物@ Z核殼結(jié)構(gòu)的相關(guān)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(shù)據(jù)以源數(shù)據(jù)文件的形式提供。

圖3：S32205雙相不銹鋼的電化學(xué)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(xué)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(shù)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(biāo)準(zhǔn)差( n = 3次獨立實驗)。源數(shù)據(jù)以源數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)。浸泡腐蝕前鋁酸鎂- MnS @ Z核殼結(jié)構(gòu)的SEM形貌和f SKPFM圖。( f )中箭頭線標(biāo)記的沿鋁酸鎂- MnS @ Z核殼結(jié)構(gòu)的伏打電位變化。( g )中MA為鋁酸鎂包裹體的縮寫。源數(shù)據(jù)以源數(shù)據(jù)文件的形式提供。

圖5為Nb微合金化技術(shù)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(yè)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(xiàn)出單一包合物和包合物@ Z核殼結(jié)構(gòu)的形貌。源數(shù)據(jù)以源數(shù)據(jù)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(shù)已在一系列DSS和工業(yè)生產(chǎn)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(gòu)建的高端設(shè)備長壽命和安全運行的進步。