导语：北京科技大学团队研究报告了铝元素对海水换热器环境下15-5PH不锈钢耐蚀性的增强机理。研究发现，铝元素对耐蚀性的影响表现出显著的“温度反转”特性：在高温（40 ℃）条件下，高铝含量显著提升了不锈钢的耐蚀性，点蚀电位提升至0.17 V，阻抗值增加两倍；而在25 ℃时，耐蚀性却随铝含量增加而下降。这一反转现象归因于控制因素的转变——低温下受Al₂O₃夹杂物溶解控制，高温下则转变为钝化膜保护控制。高温下，钝化膜中Al₂O₃的形成、Cr/Fe比的显著升高（从1.45升至2.89）以及混合Al-Cr氧化物的生成，共同增强了钝化膜的致密性与稳定性，从而实现了耐蚀性的跃升。（该论文第一作者为车智超博士）

15-5PH不锈钢因其出色的耐蚀性，广泛应用于海上平台的核心部件——海水换热器中。然而，当海水温度超过30 °C时，材料耐蚀性往往下降，严重威胁设备服役安全。传统不锈钢在高温海水环境中钝化膜稳定性差，易发生局部或全面腐蚀，难以满足现代工程对材料性能日益严苛的要求。含铝钢因其独特的性能受到关注：铝不仅能细化晶粒、改善力学性能，当达到临界浓度时，还能促进形成致密的富Al₂O₃钝化膜，有望显著提升材料的高温抗腐蚀能力。然而，铝在变温环境下对马氏体不锈钢腐蚀行为的影响机制尚不明确，系统研究其对不同温度下腐蚀行为的调控作用具有重要的理论价值与工程意义。

基于以上背景，研究人员以不同铝含量的15-5PH不锈钢为研究对象，采用先进的微观结构表征、电化学实验及XPS分析技术，深入揭示了铝含量对材料微观组织及腐蚀行为的影响机制。区别于以往的研究，本工作重点关注了铝元素在不同温度下的双重作用机制及控制因素的转变。

研究发现，随着铝含量的增加，不锈钢中铁素体单相区显著扩大，晶粒尺寸从17.48±0.3 μm细化至16.89±0.7 μm，这归因于固溶铝的钉扎效应及铁素体比例增加对晶界迁移的抑制。同时，夹杂物类型由低铝钢中的（Al,Si）_xO_y-MnS复合夹杂物转变为高铝钢中单一的Al₂O₃夹杂物。在腐蚀性能方面，结果显示出明显的温度依赖性“反转”现象。在40 ℃的高温环境下，高铝样品表现出优越的耐蚀性，点蚀电位升高至0.17 V，腐蚀电流密度降至7.85×10⁻⁷ A·cm²。莫特-肖特基曲线表明，高温下高铝不锈钢具有较低的施主浓度，表现出优异的n型半导体稳定性。XPS分析显示，高温下高铝钢钝化膜中的Cr/Fe比从1.45显著升至2.89，表明Cr元素在钝化膜内强烈富集。铝元素的引入促进了混合Al（III）-Cr（III）氧化物/氢氧化物的形成，这种混合氧化物比单一氧化物更稳定，有效阻碍了Cl^-的侵入，增强了钝化膜的致密性。

在机理层面，研究揭示了温度驱动的主控因素转变。在25 ℃时，Al₂O₃夹杂物在pH<2.9的环境中即可溶解，成为点蚀的萌生源，导致高铝钢耐蚀性下降，此时腐蚀行为受“夹杂物控制”。而在40℃时，Al₂O₃夹杂物仅在pH<1.9的强酸性环境中才溶解，这意味着在常规点蚀酸化条件下，夹杂物更难溶解。此时，铁素体相促进了致密钝化膜的形成，加之Al-Cr混合氧化物的保护作用，腐蚀控制因素转变为“钝化膜控制”，从而显著提升了高铝钢的耐蚀性。

本研究详细阐明了铝元素在不同温度条件下对15-5PH不锈钢耐蚀性的双重影响机制，揭示了从“夹杂物主导”到“钝化膜主导”的控制因素转变规律。这一发现填补了含铝马氏体不锈钢在变温环境腐蚀行为研究的空白，指出了铝元素在高温海水环境中作为有益元素的应用潜力，同时警示了其在低温环境下的潜在风险。该研究成果对于指导新型耐高温海水腐蚀不锈钢的成分设计和工业生产具有重要的参考价值。

链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010938X26001356

图2 （a1, b1）低铝（a1）和高铝（b1）不锈钢的微观结构；（a2, b2）低铝（a2）和高铝（b2）不锈钢的IPF图；（a3, b3）低铝（a3）和高铝（b3）不锈钢的晶粒尺寸分布统计图；（c）低铝和高铝不锈钢的硬度测试结果。随着铝含量增加，不锈钢组织由马氏体转变为含少量铁素体的双相结构，且晶粒因钉扎效应而细化。

图3 （a-b）低铝（a1, a2）和高铝（b）不锈钢中夹杂物形态；（c）不锈钢中不同尺寸夹杂物的百分比；（d）夹杂物数密度。随着铝含量增加，夹杂物由（Al,Si）_xO_y-MnS转变为Al₂O₃，且夹杂物密度及大尺寸夹杂物数量均有所上升。

图4 （a） 3.5 wt.% NaCl溶液中不锈钢的极化曲线；（b） 3.5 wt.% NaCl溶液中不锈钢的Nyquist图；（c）用于定量分析阻抗谱的电路模型；（d-e） 3.5 wt.% NaCl溶液中不锈钢的Bode图。铝含量对不锈钢耐蚀性的影响呈现显著的温度依赖性“反转”特征。在40 ℃时，高铝钢（样品2）表现出优异的耐蚀性，其击穿电位高达0.17 V，电流密度最低，且极化电阻（R_p= 2.4×10⁵Ω·cm²）显著高于低铝钢（样品1），耐蚀性随铝含量增加而增强；相反，在25 ℃时，高铝钢的点蚀电位降低，阻抗弧半径收缩，R_p值（3.6×10⁴Ω·cm²）亦低于低铝钢，表明耐蚀性随铝含量增加而减弱。

图5 含铝15-5PH钢的莫特-肖特基图。通过计算施主浓度（N_D）发现，高铝不锈钢在40 ℃时具有最低的N_D值（1.7×10²² cm⁻³），这表明该条件下钝化膜缺陷较少，有效抑制了界面电化学反应，从而显著提升了钝化膜的稳定性。

图7 低铝（a1-a4）和高铝（b1-b4）不锈钢在40 ℃下的XPS峰。（a1, b1） Fe 2p_3/2；（a2, b2） Cr 2p_3/2；（a3, b3） O 1s；（a4, b4）Al 2p和Cr 3s。在40 ℃条件下，钝化膜中Al₂O₃显著富集，Cr/Fe比值从1.45大幅升至2.89，有效增强了钝化膜的稳定性。

图12 低铝（a-b）和高铝（c-d）不锈钢腐蚀机理。铝含量对15-5PH不锈钢耐蚀性的影响存在“温度反转”现象，其核心机制在于温度驱动的主控因素转变。在低温（25 °C）下，腐蚀行为由夹杂物控制：Al₂O₃夹杂物易溶解，主导点蚀萌生，导致高铝钢耐蚀性下降。在高温（40 °C）下，腐蚀行为转变为钝化膜控制：温度促进形成富含Al₂O₃和Cr的致密混合氧化层钝化膜，其保护作用优于夹杂物的不利影响，从而显著提升高铝钢的耐蚀性。

北京科技大学的研究人员在本工作中研究了铝含量对15-5PH不锈钢在海水换热器环境下耐蚀性的影响。主要结论归纳如下：

（1）随铝含量增加，铁素体单相区显著扩大，晶粒细化至16.89±0.7 μm，归因于固溶铝钉扎效应及铁素体分数增加。

（2）高温下高铝钢耐蚀性优异，点蚀电位升至0.17 V，源于钝化膜中Al₂O₃及Cr/Fe比增加增强了钝化膜的稳定性。

（3）25 ℃时不锈钢耐蚀性随铝含量增加而下降，主要归因于大尺寸Al₂O₃夹杂和不稳定的钝化膜。