含氟强酸环境下高镍奥氏体不锈钢钝化膜稳定性与微观破坏机理研究

The F-containing strong acids are widely used in the field of electronic, fine chemicals and mining. The stainless steel devices have been additionally corroded because of the strong oxidizing nature of the fluorine, whose corrosion mechanisms are little understood. This project will choose the hydrofluoric acid as the typical F-containing strong acids and 904L as the high-Ni austenite stainless steel. It focuses on the correlations between the material microstructure, environment and the passivity of 904L SS with the in-situ observation, localized electrochemistry, surface phase analysis and microstructure observation. Its compositions, structure, electrochemical properties as well as semi-conduct properties have been studied. The project further investigates the microstructure dependence of the 904L passivity, the rules between the environments(temperature, hydrofluoric acid and pH) and the evolution behavior and the stability of the passivity as well as the breakdown mechanism and dynamic factors of the passivity. The critical value of the pitting corrosion has been discussed. Finally, the theory systems of the 904L SS passivity have been supplied. And the new way for materials design and corrosion resistance enhancement are obtained.

含氟强酸广泛应用于电子、精细化工、矿业开采等工业领域，氟离子因其特有的强氧化性，会使现服役的耐酸不锈钢容器造成额外的腐蚀损伤，其促进机理尚不明确。本项目以氢氟酸为含氟强酸的典型介质，高镍奥氏体不锈钢904L为研究对象，借助原位监测、微区电化学、表面物相分析和表观观察等方法，开展微观组织、含氟强酸环境与钝化膜性质之间的相关性及电化学作用机制研究，探讨钝化膜的成分、结构、电化学性能和半导体属性等性质，评价不锈钢钝化膜与微观组织（微观亚结构、夹杂物）之间的依赖关系，阐明温度、氢氟酸、pH值等环境因素与不锈钢钝化膜形成、稳定、溶解演变行为及稳定性的内在规律，揭示钝化膜破裂的作用机制及动力学条件，获得904L不锈钢微观破坏机理及临界条件。项目可为进一步完善奥氏体不锈钢钝化理论体系奠定基础，为材料设计和不锈钢耐酸性能提高提供新思路和新方法。

项目研究来源于低碳高铬镍钼904L不锈钢在氢氟酸中服现役的特定材料/介质环境，在缺乏相关参考的条件下，全面开展了904L在特定服役环境中的腐蚀科学问题研究。在“904L在不同酸介质中的钝化膜结构及组成”，“钝化膜在氢氟酸环境中的破损修复机制”，“敏化处理对904L的具体影响”以及衍生“表面改性技术对904L耐蚀性能提高的可行性”等应用方面，获得了系统的研究成果与相关科学认识。具体采用SEM、TEM、AFM、XPS、EIS、EDS和EPMA等研究手段，研究了904L奥氏体不锈钢在氢氟酸中钝化膜的微观组织和破损修复机制，探讨了敏化处理后904L不锈钢的微观组织和耐蚀性能变化规律，探索了等离子氮化及激光熔覆等表面改性技术提高904L不锈钢耐蚀性的可行性。结果表明，在氢氟酸中904L不锈钢的镍优先与氟离子发生反应，在表面形成沉积层，而后由铬与氧反应形成钝化膜。相比于氯离子，904L在含氟离子溶液中钝化膜所展示的耐蚀能力较差。浓硫酸中较低浓度的氟离子可以促进腐蚀，较高浓度氟离子有一定抑制腐蚀作用，且试样表面由亚稳态的点蚀发展为稳态点蚀。敏化处理后904L奥氏体不锈钢浸泡结果可以看到晶间位置会发生很深的腐蚀沟壑，TEM结果表明敏化处理后904L晶界位置有sigma相的存在，这种新相可以导致904L发生晶间腐蚀。表面改性技术结果表明，在100Pa下进行辉光等离子氮化能极大地提高904L奥氏体不锈钢的表面硬度并略提升耐腐蚀性。激光熔覆涂层试样硬度值得到提高，且熔覆层与基材结合处形成平面晶与树枝晶的过渡区域能够极大增强熔覆涂层与基材之间的结合力。上述研究结果对于设计、指导高性能钢丝的开发及深层次研究具有重要意义。利用研究结果在Corrosion Science、Journal of Materials Science等期刊发表论文19篇，SCI/EI论文11篇，获国家授权专利1件。培养毕业硕士研究生5名和在读硕士研究生1名。项目负责人晋升三级教授，贵州省省管专家；骨干成员1人晋升副教授，1人晋升实验师。