东北大学《Nature》子刊：攻克了“夹杂物引起腐蚀失效”这一久攻不克的顽疾

2023-12-05 15:51:15 作者：材料学网来源：东大冶金分享至：

近日，东北大学冶金学院姜周华教授团队在提升不锈钢耐蚀性创新设计方面取得重要突破，相关成果“Design for improving corrosion resistance of duplex stainless steels by wrapping inclusions with niobium armour”（https://doi.org/10.1038/s41467-023-43752-8）发表于《自然•通讯》（Nature Communications）。论文作者为：张树才、冯浩、李花兵、姜周华、张涛、朱红春、蔺岳、张伟、李国平，其中，第一作者为冶金学院张树才讲师，通讯作者为冶金学院/多金属共生矿生态化冶金教育部重点实验室李花兵教授。东北大学冶金学院为第一完成单位，东北大学材料科学与工程学院张涛教授、中信金属有限公司张伟博士和山西太钢不锈钢股份有限公司李国平教授级高工为合作完成人。

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钢铁材料的腐蚀失效不仅会导致灾难性安全事故，还会造成巨大的经济损失。为满足基础设施和装备的长寿命需求，一系列高耐蚀不锈钢相继被开发出来。但随着服役环境日益苛刻，这些不锈钢仍会发生腐蚀。非金属夹杂物是腐蚀的主要诱因之一，通常会造成“千里之堤，溃于蚁穴”的严重影响，在高温、高氯等极端苛刻的环境中，其危害尤为突出。对此，科研人员探索了很多方法以减轻夹杂物的危害，如深脱氧、深脱硫和改性处理等。然而，这些方法的效果有限，夹杂物或周围基体仍会发生腐蚀。因此，如何有效防止夹杂物引起的腐蚀失效，成为了钢铁材料腐蚀防护领域迫在眉睫的挑战。

本研究打破了传统“依靠洁净度控制和改性处理减轻夹杂物危害”的思维局限，创新提出“利用耐蚀铌铠甲（Z相）包裹有害夹杂物以显著提高双相不锈钢耐蚀性”的策略。该策略巧妙运用了微合金化和异质形核原理，实现了两个关键目标控制：

一是含铌Z相有效包裹夹杂物（图1）。首先，从常用微合金元素（Ti、V和Nb）中筛选出Nb作为理想元素；其次，利用简单常规的制备路线促使含铌Z相在夹杂物周围异质形核，形成“夹杂物@Z相”核壳结构，将夹杂物包裹起来，使其与腐蚀性环境隔绝。二是Z相和其周围基体具有良好的耐蚀性（图2）。首先，保证了Z相本身具有高耐蚀性（~52%Nb-27%Cr-7%Mo-9%N）；其次，保证了Z相周围基体未发生严重贫化，依然具有良好的耐蚀性；同时，Z相与基体间电势差小且能协调变形，避免发生电偶腐蚀和微缝隙腐蚀。

本研究独辟蹊径，巧妙施策，利用耐蚀“铌铠甲”（Z相）包裹有害夹杂物，攻克了“夹杂物引起腐蚀失效”这一久攻不克的顽疾，在系列双相不锈钢（S32101、S32304、S32205、S32507、S32707）和工业化生产中具有很强的普适性（图3）。该研究为不锈钢材料腐蚀防护提供了新思路，对保障高端装备长寿命和安全稳定运行具有重要意义。

本研究工作得到了国家自然科学基金、辽宁省中央引导地方科技发展专项、中央高校基本科研业务费、中国博士后科学基金等项目资助以及中信金属和太钢的经费支持，还得到了东北大学分析测试中心在组织表征方面提供的帮助。