双相不锈钢中氧化物夹杂/基体界面微区电化学活性及点蚀引发机制

Duplex stainless steels have been extensively used in various marine engineering structures. In the recent years, corrosion, especially pitting corrosion, of the steels in marine environments has been paid particular attention. While it is accepted that the oxide inclusions contained in the steels are associated with the initiation of corrosion pits, this research will investigate the scientific fundamentals of the micro-electrochemistry at the inclusion/steel matrix interface and its correlation with the pitting processes. Various micro-electrochemical measurement techniques, including scanning vibrating electrode technique (SVET), localized electrochemical impedance spectroscopy (LEIS), scanning Kelvin probe force microscopy (SKPFM), etc., will be used to determine mechanistically the effects of α phase, γ phase, and their synergism on the local electrochemical activity at the inclusion/steel substrate interface. A micro-electrochemical model will be developed to illustrate the intrinsic role of oxide inclusions in pit initiation at an atomic scale. The research outcomes will contribute to an improved science base in corrosion electrochemistry, and serve as a firm foundation for integration of multidisciplinary subjects in atomic modeling, microstructure and properties (including manufacturing process and service) of engineering structures.

双相不锈钢作为一种普遍使用的海洋工程结构材料，其腐蚀失效问题日益引起广泛关注。氧化物夹杂是导致双相不锈钢服役环境中发生点蚀的主要因素之一。本项目拟针对双相不锈钢中氧化物夹杂/基体界面微区电化学活性这一关键科学问题，运用扫描振动电极技术（SVET）、局部电化学阻抗谱（LEIS）、扫描开尔文探针显微镜（SKPFM）等电化学测量技术，并结合第一性原理计算等方法，研究氧化物夹杂与不同双相不锈钢基体（单α相、单γ相、α+γ两相）界面的电化学活性与点蚀引发的本质关系；阐明双相不锈钢中单α相、单γ相以及两相耦合对氧化物夹杂/基体电化学活性的影响规律，建立双相不锈钢点蚀萌生的微区电化学模型，揭示钢中氧化物夹杂对点蚀影响的微观机制。项目成果将丰富和深化双相不锈钢点蚀的电化学理论，将为建立原子尺度模型、显微组织、宏观性能（包括制备加工工艺和服役行为）等多层次、跨尺度综合设计理论和方法提供重要的知识储备。

双相不锈钢作为一种普遍使用的海洋工程结构材料，其腐蚀失效问题日益引起广泛关注。氧化物夹杂是导致双相不锈钢服役环境中发生点蚀的主要因素之一。本项目运用恒电位脉冲及点蚀密度统计，结合局部电化学阻抗谱、扫描开尔文探针显微镜等微区电化学测量技术，研究氧化物夹杂与不同双相不锈钢基体界面的电化学活性与点蚀引发的本质关系，建立双相不锈钢点蚀萌生的微区电化学模型，揭示钢中氧化物夹杂对点蚀影响的微观机制。主要结论如下：.1、基于点蚀密度统计，提出了“点蚀萌生率”这一参数。明确了2205双相不锈钢中的氧化物夹杂是引起其点蚀的主要因素，大于4μm的氧化物夹杂点蚀萌生率为90.9%，最易引发点蚀，其次是1μm~4μm夹杂物，小于1μm夹杂物最不易引起不锈钢点蚀。Al-Ca-Si-O与Al-Mg-Ca-Si-O型夹杂易引起双相不锈钢点蚀，Al-Mg-O型夹杂物不易引起点蚀。点蚀在夹杂物与金属基体的界面处萌生，优先沿夹杂物扩展。.2、在奥氏体相内，Al-Mg-O夹杂处的微区自腐蚀电位明显高于奥氏体内Al-Si-Ca-O和 Al-Mg-Si-Ca-O夹杂处微区自腐蚀电位，钝化电流也明显低于另外两种成分夹杂物处钝化电流。Al-Mg-O夹杂在不同类型的组织中均没有引起点蚀，Al-Si-Ca-O和 Al-Mg-Si-Ca-O夹杂在各种类型的组织中均萌生了点蚀。氧化物夹杂处点蚀萌生能力取决于夹杂物与所在基体间的电位差。.3、氧化物夹杂处点蚀萌生主要受到其物理化学性质的影响，质地疏松，易于形变，与钢基体间存在微裂纹的Ca-Si氧化物，在降低钝化膜致密性的同时，有利于腐蚀介质渗入对钢基体造成腐蚀。此外，Ca-Si氧化物化学性质的不稳定导致其在点蚀萌生过程中发生优先溶解。而夹杂物周围基体则通过与夹杂物处基体形成电偶从而促进点蚀的萌生。.以上这些研究所获得的成果将极大丰富双相不锈钢中氧化物夹杂引发点蚀的科学知识，从根本上理解这一影响双相不锈钢结构失效的工程现象，还可以为实现针对海洋服役环境的材料成分-组织性能-制备加工工艺一体化耦合集成设计积累数据和提供理论指导。