腐蚀顶刊：基于水下激光增材制造技术，大幅度提高耐蚀性机制！
2024-03-19 15:47:52
作者：材料科学与工程 来源：材料科学与工程
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近日，东南大学孙桂芳教授与广东腐蚀科学与技术创新研究院、华南理工大学韩恩厚院士团队合作开发了水下激光直接金属沉积技术，采用SS316L修复NV E690高强钢形成成分梯度诱导原位相变，阐明了过电位诱导水下激光增材制造SS316L涂层钝化膜生长动力学及其物理-化学性质演变规律。相关研究成果已于近日发表在腐蚀领域顶级期刊Corrosion Science上。
极端海洋环境极易造成海洋工程（海工）装备的损伤失效，水下在役海工装备结构件损伤，面临着修复难度大、成本高、周期长等难题。激光直接金属沉积技术可实现受损工程装备的快速高质量修复。研究人员将陆上激光直接金属沉积技术拓展至水下环境，开发了水下激光直接金属沉积技术（UDMD），为原位修复水下在役海工装备提供新途径。NV E690海工高强钢具有优良的综合力学性能，然而，UDMD修复的NV E690高强钢仍然面临严重的海洋腐蚀。316L不锈钢（SS316L）具有优异的耐蚀性，采用UDMD技术在NV E690表面原位制备了SS316L涂层，可协同提升受损结构件的力学性能和防腐性能。涂层的防腐性能和涂层的钝化行为密切相关。因此，亟需针对基于UDMD制备的SS316L涂层的钝化行为开展系统研究。该研究基于UDMD技术制备的单层、双层和三层SS316L涂层，针对SS316L涂层的微观结构、电化学钝化行为和表面化学成分开展了系统研究。结果表明，从单层到三层SS316L涂层Cr和Ni含量逐渐提高而Fe含量逐渐降低，这种正耐蚀元素梯度和UDMD高冷却速率协同降低涂层的马氏体起始温度，从而诱导了马氏体到奥氏体的原位相变。涂层的正耐蚀元素梯度形成更致密的钝化膜，进而提高了涂层的耐腐蚀性能。XPS结果表明，所有涂层的钝化膜富含Cr元素但贫Fe和Ni元素。与此相反，在钝化膜下方的改变层富含Ni元素但贫Cr和Fe元素。这种钝化膜上元素的富集或贫乏可用元素富集系数fA表示和化合物的热动力学原理进行解释。此外，涂层钝化膜呈现双层结构：具有高电阻率平台的阻挡层和具有幂指数衰减电阻率的外层。其次，阻挡层可导致线性的电位降，而外层仅导致微小的电位下降，阻挡层与外层之间的电压降可以简化为阶跃电压降。最后，阻挡层的厚度随过电位的增加而呈线性增长。这些结果表明基于UDMD技术制备的SS316L涂层的生长动力学支持点缺陷模型的假设。
图1 材料及实验方法：(a) SS316L粉末粒度分布；(b) SS316L粉末的SEM图；(c) UDMD系统示意图；(d) (c)中选定区域的部分放大图及其沉积策略
图2 各试样上表面的微观结构和相表征：(a) Schaeffler-Delong图预测相组成；(b) XRD图谱；(c-h) 涂层上表面的EBSD扫描结果图3 涂层表面电化学和物理参数随外加电位的变化：(a-d) 极化电阻、CPE参数(Q, n)和钝化膜厚度；(e-g) 钝化膜内的电阻率分布图；(h) 稳态阻挡层厚度与成膜电压的关系；(i) 莫特-肖特基图和施主密度图4 所有涂层在0.6 M NaCl溶液开路电位下形成的钝化膜的XPS反卷积图谱：(a, d, g) Cr 2p3/2；(b, e, h) Fe 2p3/2；(c, f, i) Ni 2p3/2
图5 涂层表面钝化膜的电位降分布：(a-c) 单层SS316L，双层SS316L和三层SS316L涂层表面钝化膜的电压降分布；(d) 钝化膜总电压降和施加电位的关系；(e1, e2) 钝化膜电压降示意图；(f) 内层电压降，外层电压降及其过渡区厚度
综上所述，该研究成功实现了结构耐蚀涂层水下激光增材一体化再制造(UDMD)，定量研究了UDMD制备的316L涂层的微观结构和电化学钝化行为，阐明了过电位诱导UDMD-SS316L涂层钝化膜生长动力学及其物理-化学性质演变规律。该工作不仅为原位制备结构耐蚀涂层提供了新思路和方法，也为水下冶金过程控制和修复质量提升提供了重要的理论指导。
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