第一作者：趙陽(yáng)      

通訊作者：花勇，張濤  

作者單位：東北大學(xué)    

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(guān)注的焦點(diǎn)集中在對(duì)深海資源的開發(fā)與利用上。深海環(huán)境具有高壓、低溫、含氧量較低、侵蝕性強(qiáng)等特點(diǎn)。如此苛刻的環(huán)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(qiáng)度、低成本、高耐蝕性而被廣泛應(yīng)用到深海石油管道的建設(shè)中，然而根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)得知，30%的油管在使用初期依然發(fā)生嚴(yán)重的穿孔甚至斷裂。剛剛投入生產(chǎn)的油管被迫進(jìn)行維護(hù)跟修理，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。目前，除了涂層和陰極保護(hù)外，激光熔覆技術(shù)作為一種新型的材料制備技術(shù)，現(xiàn)被廣泛應(yīng)用于優(yōu)化材料微觀結(jié)構(gòu)，提高材料的腐蝕性能。 

激光熔覆技術(shù)是以激光束為熱源，在高溫、高真空條件下逐層精密制造復(fù)雜的金屬結(jié)構(gòu)，具有加工步驟少、組織成分控制均勻等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛用于制備316L不銹鋼。Zietala等利用激光熔覆技術(shù)制備的316L不銹鋼與鑄造316L不銹鋼相比，點(diǎn)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(xì)化。Sander等認(rèn)為利用激光熔覆技術(shù)可以使不銹鋼中常見的MnS夾雜湮滅，亞穩(wěn)態(tài)點(diǎn)腐蝕發(fā)生的概率降低，耐蝕性得以顯著提高。此外，Sun和Laleh等認(rèn)為激光熔覆技術(shù)制備的316L不銹鋼相比于鑄造316L不銹鋼雖然具有較高的點(diǎn)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(shù)制備的316L不銹鋼內(nèi)部存在細(xì)小的微孔。綜上所述，利用激光熔覆技術(shù)提高316L不銹鋼耐蝕性的機(jī)理尚不明確，并且以往的研究主要集中在常溫常壓環(huán)境，相關(guān)的腐蝕規(guī)律是否同樣適用于深海環(huán)境中尚未可知。

有鑒于此，東北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院張濤教授、趙陽(yáng)副教授所屬的“輕合金表面處理和油氣工業(yè)的腐蝕與防護(hù)”團(tuán)隊(duì)發(fā)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(duì)比了激光熔覆和鑄造316L不銹鋼在深海環(huán)境下的鈍化膜的成分、半導(dǎo)體性能和電化學(xué)性能。較為詳細(xì)地闡述了激光熔覆316L不銹鋼耐蝕性得以顯著提高的機(jī)理，為其在深海環(huán)境下的應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支撐。

研究結(jié)果表明，利用激光熔覆技術(shù)可明顯提高316L不銹鋼在深海環(huán)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(tài)的Fe2O3、Cr2O3氧化物和非晶態(tài)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(dǎo)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(wěn)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(kuò)散通道，會(huì)增強(qiáng)受電遷移過程控制的穩(wěn)定氧化物的形成，減小受溶解再沉積控制的非穩(wěn)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(wěn)定，點(diǎn)腐蝕的萌生、成長(zhǎng)速率均明顯降低，表現(xiàn)出較高的耐蝕性。

本文章是該團(tuán)隊(duì)率先利用之前已經(jīng)建立的“溶解-電離-沉積”(DID)模型深入理解并解決深海腐蝕領(lǐng)域中的傳統(tǒng)理論和挑戰(zhàn)性的工程問題。將來，我們還會(huì)以DID模型為基礎(chǔ)，揭示H2S-CO2腐蝕機(jī)理（陰極過程存在著復(fù)雜的電離平衡和競(jìng)爭(zhēng)性的沉積）；深入理解Cr含量對(duì)不銹鋼腐蝕行為的影響（腐蝕領(lǐng)域中的傳統(tǒng)理論 — Cr含量的1/8定律）；揭示活性溶解、鈍化和過鈍化的轉(zhuǎn)變機(jī)制（定量計(jì)算動(dòng)電位極化曲線）；建立自然環(huán)境下材料腐蝕壽命與鹽霧試驗(yàn)之間的關(guān)聯(lián)（腐蝕壽命預(yù)測(cè)）；以及耐蝕不銹鋼、鎂合金和鋁合金的設(shè)計(jì)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(huán)境下動(dòng)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(huán)境下鈍化膜成分對(duì)比

圖4 激光熔覆316L不銹鋼和鑄造316L不銹鋼在深海環(huán)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(huán)境下點(diǎn)腐蝕的累積概率圖(a)、Gumbel分布圖(b)和成長(zhǎng)概率圖(c)

作者簡(jiǎn)介

趙陽(yáng)，2018年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)獲博士學(xué)位，東北大學(xué)副教授。主要從事油氣工業(yè)的腐蝕與防護(hù)。在國(guó)際上率先通過修正熱力學(xué)參數(shù)，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(xué)角度指導(dǎo)苛刻油氣環(huán)境下油井管選材。英國(guó)科學(xué)院/工程院兩院院士A. Neville 教授對(duì)E-pH圖工作給予了高度評(píng)價(jià)。在此基礎(chǔ)上，從動(dòng)力學(xué)角度發(fā)展出“多自由度腐蝕壽命預(yù)測(cè)技術(shù)”，預(yù)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)高度吻合。相關(guān)成果被中石化西北局作為油井管選材的重要依據(jù)，目前正在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試采試驗(yàn)。最后打通了腐蝕熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)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(fā)了HP-13Cr-Cu不銹鋼有效解決了HP-13Cr不銹鋼在高溫高壓H2S環(huán)境下應(yīng)力腐蝕斷裂的問題。目前發(fā)表SCI論文20篇，申請(qǐng)專利2項(xiàng)。應(yīng)邀在第六屆全國(guó)腐蝕大會(huì)上做特邀報(bào)告1次、CORSYM-2019會(huì)議上做Keynote報(bào)告1次。主持國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目、中國(guó)博士后基金、中石化項(xiàng)目2項(xiàng)。入選第六屆“中國(guó)科協(xié)青年人才托舉工程” ，榮獲2021年中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。兼職國(guó)際期刊《Journal of Materials Science & Technology》、《Acta Metallurgica Sinica (English Letters)》、《Corrosion Communication》、核心期刊《中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)》長(zhǎng)期審稿人。