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東北大學在提升不銹鋼耐蝕性創(chuàng)新設(shè)計方面取得重要突破

2023-12-18 15:31:04 作者：腐蝕與防護來源：腐蝕與防護分享至：

近日，東北大學冶金學院姜周華教授團隊在提升不銹鋼耐蝕性創(chuàng)新設(shè)計方面取得重要突破，相關(guān)成果已發(fā)表于Nature Communications上。

鋼鐵材料的腐蝕失效不僅會導致災(zāi)難性安全事故，還會造成巨大的經(jīng)濟損失。為滿足基礎(chǔ)設(shè)施和裝備的長壽命需求，一系列高耐蝕不銹鋼相繼被開發(fā)出來。但隨著服役環(huán)境日益苛刻，這些不銹鋼仍會發(fā)生腐蝕。非金屬夾雜物是腐蝕的主要誘因之一，通常會造成“千里之堤，潰于蟻穴”的嚴重影響，在高溫、高氯等極端苛刻的環(huán)境中，其危害尤為突出。

對此，科研人員探索了很多方法以減輕夾雜物的危害，如深脫氧、深脫硫和改性處理等。然而，這些方法的效果有限，夾雜物或周圍基體仍會發(fā)生腐蝕。因此，如何有效防止夾雜物引起的腐蝕失效，成為了鋼鐵材料腐蝕防護領(lǐng)域迫在眉睫的挑戰(zhàn)。

本研究打破了傳統(tǒng)“依靠潔凈度控制和改性處理減輕夾雜物危害”的思維局限，創(chuàng)新提出“利用耐蝕鈮鎧甲（Z相）包裹有害夾雜物以顯著提高雙相不銹鋼耐蝕性”的策略。該策略巧妙運用了微合金化和異質(zhì)形核原理，實現(xiàn)了兩個關(guān)鍵目標控制：

一是含鈮Z相有效包裹夾雜物。首先，從常用微合金元素（Ti、V和Nb）中篩選出Nb作為理想元素；其次，利用簡單常規(guī)的制備路線促使含鈮Z相在夾雜物周圍異質(zhì)形核，形成“夾雜物@Z相”核殼結(jié)構(gòu)，將夾雜物包裹起來，使其與腐蝕性環(huán)境隔絕。

S32205雙相不銹鋼中含鈮Z相包裹夾雜物（“夾雜物@Z相”核殼結(jié)構(gòu)）表征

二是Z相和其周圍基體具有良好的耐蝕性。首先，保證了Z相本身具有高耐蝕性（~52%Nb-27%Cr-7%Mo-9%N）；其次，保證了Z相周圍基體未發(fā)生嚴重貧化，依然具有良好的耐蝕性；同時，Z相與基體間電勢差小且能協(xié)調(diào)變形，避免發(fā)生電偶腐蝕和微縫隙腐蝕。

含鈮與無鈮S32205雙相不銹鋼在72℃兩倍濃度海水（a-c）和50℃ 6%FeCl3溶液（d-g）中耐腐蝕性能對比

本研究獨辟蹊徑，巧妙施策，利用耐蝕“鈮鎧甲”（Z相）包裹有害夾雜物，攻克了“夾雜物引起腐蝕失效”這一久攻不克的頑疾，在系列雙相不銹鋼（S32101、S32304、S32205、S32507、S32707）和工業(yè)化生產(chǎn)中具有很強的普適性。該研究為不銹鋼材料腐蝕防護提供了新思路，對保障高端裝備長壽命和安全穩(wěn)定運行具有重要意義。