节镍双相不锈钢表层相组成和晶体学特征与耐蚀性关联性的原子层次表征

Low-nickel stainless steel is one of the directions of future development of the stainless steel. Owing to the complicated structure, uneven distribution of the alloy elements in each phase, differences in resistance to corrosion, the surface phase composition and crystal characteristics directly affect the mechanical properties, corrosion resistant performance and service life. The key scientific problems that the relation of surface crystallography characteristic and corrosion mechanism of low-nickel duplex stainless steel is not fully clear, so we put forward exploring the corrosion mechanism of surface and interface of duplex stainless steel, in terms of the calculation science, combined with the materials science. Main contents include sample preparation and corrosion resistance of duplex stainless steel under different hot working conditions, analysis of composition and crystal characteristics of passivated layer and corrosion product of duplex stainless steel, revealing the forming process and impacting mechanism of corrosion of duplex stainless steel under stress and corrosion environment, interpreting the evolution of adsorption and dissolution process of surface and interface of stainless steel under the action of corrosion environment from atomic level, exploring influencing rule and effect laws of S, Mn, Cr, Ni, N and other elements in the process of corrosion of stainless steel, in further, establishing the inherent relationship of surface phase composition, crystal characteristics and the pitting resistance of duplex stainless steel. The results can provide guidance to exploring new ways to raising the capacity of resistance to pitting corrosion of low-nickel duplex stainless steel.

节镍不锈钢是未来不锈钢行业发展方向，由于组织结构复杂、合金元素在各相分布不均、抗蚀性存在差异，而表层相组成和晶体学特征是决定其耐蚀性、力学性能及使用寿命的关键。本研究针对节镍双相不锈钢表层晶体学特征与腐蚀机制的关联性尚不完全清楚这一关键科学问题，运用计算与材料学科交叉的新手段，提出从原子层次探索双相不锈钢表/界面腐蚀产生、形成机理。主要内容包括：不同热加工条件下双相不锈钢试样的制备及耐蚀性研究；双相不锈钢、钝化层和腐蚀产物表/界面相、晶体学特征分析；揭示在应力、腐蚀介质作用下不同表层晶体学特征双相不锈钢腐蚀产生、形成过程及影响机制；原子层次诠释不锈钢表/界面在应力、腐蚀介质作用下发生吸附、溶解的演化过程；探索N、Mn、Cr、Ni、S等元素在不锈钢腐蚀过程中的影响规律及协同作用机理；建立双相不锈钢表层相组成、晶体学特征与耐点蚀性之间的内在关系。为探索提高节镍不锈钢抗点蚀能力的新途径提供指导。

节镍双相不锈钢是未来重点发展钢种之一，由于两相组成、结构、晶粒尺寸以及各元素分布不匀，其各相耐蚀性存在差异。本项目采用理论和实验相结合的方法，对2101、2205和2707等双相不锈钢进行了对比分析，阐明了节镍型双相不锈钢中铁素体和奥氏体相与耐蚀性的关联性及影响因素。实验上探索了不同热处理制度下2101等表层相组成、形态、结构及元素分布与耐蚀性的关系。（1）常规情况下相比例相当时耐蚀性最佳，点蚀位置以相界面为主，但当奥氏体相溶解、析出时，其尺寸、形状、分布、大小及相界面结构对耐蚀性有很大的影响，将严重影响其耐蚀性。（2）拉应力达某一临界值时应力腐蚀加剧。（3）当两相均为亚微米级别晶粒时，可大大提高不锈钢的耐蚀性能，提高相界面的耐蚀性。（4）双相不锈钢表面两相钝化膜的初始形成过程及各元素扩散行为不同。研究发现2101和2205表面铁素体和奥氏体的氧化过程明显不同，尤其2101不锈钢，由于Mn、N代Ni，Mn、N对各相氧化膜及氧化物的形成过程影响不同；氧化初期铁素体表面Mn最易聚集于表面，奥氏体中Fe首先氧化，奥氏体中Cr由基体向表面扩散的速度大于铁素体；Mn、Si、Cr等均是氧化过程中迁移量、偏聚程度最为明显的元素，与氧化环境、温度密切相关。. 理论上结合实验结果，利用密度泛函理论，构建了不锈钢铁素体、奥氏体、钝化膜、析出相以及氧化物/基体界面结构模型。（1）探索了Cr、Mn、Ni、N、Al等元素对基体结构稳定性及电化学活性的影响规律；（2）获得了Cr2O3、Cr2N等结构稳定性及电化学活性及合金元素的影响规律；（3）阐明了Cr2O3/Fe界面结构稳定性、电子特性、电化学活性以及Cr、Mn、Ni、N、Al等元素在界面的扩散、偏聚行为；（4）揭示了S等在其相界、晶界等结合能力、偏聚行为，以及合金元素的抑制作用。. 以上研究阐明了相组成、晶体学特征与耐蚀性之间的关联性，为从原子层次认识双相不锈钢氧化膜形成、腐蚀机制提供了指导，也为双相不锈钢合金化体系的设计提供了依据。