锡对铁素体不锈钢钝化膜环境稳定及耐蚀性的调控机制研究

The new type of Sn containing ferritic stainless steel has excellent environment corrosion resistance, However, due to the Sn element is not the traditional corrosion resistance alloy elements in the stainless steel, existing research are rarely concern about the correlation of Sn element on environmental stability of passive film and corrosion resistance. In this project, composition, structure type and other characteristics of the passive film formed in the different medium environments are studied. In addition, combined with the scanning electrochemical microscopy, inductively coupled plasma mass spectrometry and surface physical analysis, the regulatory mechanism and electrochemical mechanism of Sn element on environmental stability of passive film and corrosion resistance for ferritic stainless steel are established. Based on comprehensive analysis of composition, structure, defect type and concentration, semiconductor parameters of passive film having impact on its environment stability, the physical and chemical mechanism of Sn element on the formation, stabilization and repair, rupture of passive film are clarified, and the innate rules among Sn element, environmental factors and stability of passive film are established. Expect to solve several scientific problems, such as the corrosion resistance mechanism for Sn element in ferritic stainless steel, the correlation mechanism between environmental factors and stability of passive film for Sn containing ferritic stainless steel. Meanwhile, promote the research work on corrosion resistance theory of Sn containing ferritic stainless steel.

新型含锡铁素体不锈钢具有优异的环境耐蚀性，然而由于锡元素并非不锈钢中传统耐蚀性合金元素，现有研究很少关注锡元素与钝化膜环境稳定性、耐蚀性之间的关联。本项目通过研究不同介质环境中形成钝化膜的成分、结构类型和其他特性，联合扫描电化学显微镜、电感耦合等离子体质谱和表面物相分析等方法，阐明锡元素对铁素体不锈钢钝化膜环境稳定性及耐蚀的调控机制和电化学作用机理。在综合对比考察钝化膜成分、结构、缺陷类型与浓度、半导体特征等参量对钝化膜环境稳定性影响的基础上，揭示锡元素与钝化膜形成、稳定与修复、破裂之间的物理化学机理以及环境因素、锡元素与钝化膜稳定性的内在规律。以期解决锡元素在铁素体不锈钢中的耐蚀作用机制、环境因素与含锡铁素体不锈钢钝化膜稳定性的关联等系列科学问题，推进含锡铁素体不锈钢耐蚀理论研究工作。

采用动电位极化曲线，电化学交流阻抗谱和Mott-Schottky曲线测试的方法评估了含锡铁素体不锈钢在酸性介质中进行电化学行为和钝化行为。同时对表面生产的钝化膜用原位X光电子能谱和扫描俄歇探针进行了分析。研究结果表明该铁素体不锈钢在稀硫酸溶液能够形成稳定的钝化膜，该钝化膜主要为多孔致密n型半导体特征。随着在钝化区所选择外加电位的增加，其钝化膜的稳定性逐渐下降。此外，表面结构和成分分析的结果表明，表面形成富锡的氧化物或氢氧化物（Sn2+和Sn4+）能够形成有效的阻挡层阻挡内部金属的进一步溶化。为了更好的理解铁素体不锈钢的钝化行为，我们研究了奥氏体不锈钢在同样条件下 的腐蚀机理和钝化行为。同时我们调整了溶液的pH值。研究结果阐明随着溶液酸性的改变，其腐蚀行为和钝化行为都产生了明显的变化，在高pH条件下例如pH 5时，其表面形成的钝化膜较为致密且耐蚀性较高；在低pH条件下其形成的钝化膜多孔且耐蚀性降低。酸性介质条件下其钝化膜的主要成分是由铁、铬、镍和钼等金属的氧化物或氢氧化物等组成，在酸性条件较强的环境中，我们没有探测到金属镍在钝化膜中存在。通过比较研究结合点缺陷模型等方法，得到了含锡铁素体不锈钢的钝化机理和钝化模型。最后我们进一步探究了含锡铁素体不锈钢在碱性含氯离子环境中的腐蚀机理和电化学行为，用扫描电镜、极化曲线，阻抗谱以及电容测试的方法评价了氯离子浓度变化对不锈钢耐蚀性的影响以及半导体特性的影响。结果表明，在腐蚀、电化学行为和半导体特性之间有很好的一致性。在中性溶液中主要形成p型和n型双层半导体膜，该钝化膜中Sn4+氧化物和氢氧化物的增加对不锈钢在氯离子环境中的耐蚀性没有明显的影响，此外，氯离子对不锈钢钝化膜中的结晶水有强烈的脱水作用。