Sigma相对超级双相不锈钢海水环境腐蚀磨损的调控作用

Super duplex stainless steel (SDSS) is often used in the friction components operating in seawater, which suffers from the synergetic damage of corrosion and wear in service. Sigma phase is the most important secondary phase of SDSS precipated during heat treatments. This project aims to study the regulating effect of sigma phase on the corrosive wear of SDSS in seawater. The super duplex stainless steel of S32750, taken as the research object, is isothermally aged during the temperature range of 600ºC-1000ºC to precipate sigma phase in its microstructure. And the content of precipated sigma phase varies with the procedures of heat treatment. Using a tribo-corrosion tester independently developed by our research group, the corrosive wear behaviors of SDSS with different contents of sigma phase sliding against carbon fiber-reinforced poly(ether-ether-ketone) plastics and alumina ceramics are comparatively investigated under different sliding conditions (velocity, load and sliding distance) in artificial seawater. The corrosion-wear interaction is quantitatively evaluated. And the micro-scale mechanisms of corrosion, wear and corrosion-wear synergy are inquired into. Finally, the macroscopic laws and corrsponding microscopic mechanisms of the regulating effect of sigma phase on the corrosive wear of SDSS in seawater are clarified. Such research will give some guidance and help to the tribological application of super duplex stainless steel in marine environment.

超级双相不锈钢（SDSS）常用于海水环境中运行的摩擦部件，在服役过程中表现出腐蚀—磨损耦合损伤特性。Sigma相是SDSS热处理过程中最主要的二次生成相。本项目旨在研究sigma相对SDSS海水环境腐蚀磨损行为的调控作用。以S32750超级双相不锈钢为研究对象，在600ºC—1000ºC温度区间对其进行不同的等温时效处理，以调节SDSS微观组织结构中sigma相的含量；采用自主研发的腐蚀磨损试验机，以碳纤维增强的聚醚醚酮塑料及氧化铝陶瓷为配副材料，兼顾摩擦试验参数（速度、载荷及行程）的变化，比较研究不同sigma相含量的SDSS在人工海水环境中的腐蚀磨损行为，定量分析腐蚀与磨损间的交互作用，并从微观尺度探讨材料的腐蚀、磨损以及二者耦合损伤机制；明确sigma相对SDSS海水环境腐蚀磨损调控作用的宏观规律以及相应的微观机制。对超级双相不锈钢在海洋环境中的摩擦学应用提供一定的指导与帮助。

超级双相不锈钢（SDSS）常用于海水环境中运行的摩擦部件，在服役过程中表现出腐蚀—磨损耦合损伤特性。Sigma相是SDSS热处理过程中最主要的二次生成相。本项目以S32750超级双相不锈钢为研究对象，重点研究了Sigma相对其海水环境腐蚀磨损行为的调控作用规律与机制。项目研究发现： 850℃热处理温度、水冷条件最有利于Sigma相的生成。在此条件下，随热处理时间延长Sigma相析出规律符合Logistic增长曲线，在0—30min范围内Sigma相快速析出，随后析出速度开始放缓，在45min以后逐渐达到稳定，析出量稳定在38%左右。随Sigma相析出，SDSS表面硬度大幅提升，最大析出量时硬度提升达到40%。在此基础上，定量调控SDSS微观组织中Sigma相含量，采用自主研发的腐蚀磨损试验机，以氧化铝陶瓷、碳纤维增强聚醚醚酮（CF/PEEK）塑料为配副材料，兼顾工况参数变化，比较研究了Sigma相含量对SDSS海水环境腐蚀磨损行为的影响，研究揭示：Sigma相既是润滑相，又是增强相，具有减摩耐磨作用，其可控析出可有效改善并调控SDSS的腐蚀磨损性能，最佳调控量在20%左右。进一步研究揭示：Sigma相析出从根本上改变了SDSS的腐蚀—磨损交互作用机制，导致了反常 “负协同效应”的发生。对于未作热处理的SDSS，在海水环境中表现出典型的腐蚀—磨损协同促进机制。而一旦微观组织中有Sigma相析出，SDSS将呈现出机械磨损与电化学腐蚀之间的对立作用，主要表现为腐蚀对于磨损的负反馈。这是由于Sigma相加速了SDSS的腐蚀，在摩擦表面形成了铁氧化物的腐蚀产物层，其脱落后作为三体磨粒转移至硬质对偶表面，阻止了其与硬质Sigma相的直接接触，在一定程度上抑制了二者之间严重二体磨损的发生。本项目研究还证实：CF/PEEK是SDSS海水环境中理想的摩擦配副，其转移层不仅具有边界润滑作用，还可以隔绝海水介质对SDSS表面的侵蚀，能够有效降低SDSS磨损失效与动态腐蚀。此外，本项目发现了SDSS特殊的摩擦诱导Sigma常温相变，并通过对比研究深入揭示了SDSS海水环境腐蚀磨损行为的特异性。本项目研究成果对于SDSS在海洋环境下的摩擦学应用具有一定的理论指导意义。