模拟海洋环境下N06625合金耐腐蚀性能的研究.pdf

第 卷第 期 年 月 山 东 建 筑 大 学 学 报 .收稿日期:作者简介:方同辉()男在读硕士主要从事镍基合金材料等方面的研究:.通讯作者:袁兴栋()男副教授博士主要从事海洋耐蚀材料等方面的研究:.:./.模拟海洋环境下 合金耐腐蚀性能的研究方同辉袁兴栋李子哲姜文韬王学刚(山东建筑大学 材料科学与工程学院山东 济南)摘要:为拓宽 合金在极端海洋环境下的应用研究了 合金在模拟海洋高盐度的环境下的耐腐蚀行为 利用光学显微镜、扫描电镜和能谱分析研究了 合金的微观结构和成分利用电化学工作站研究了其在.、.、./的 溶液中的电化学特性 结果表明:退火态合金组织为面心立方结构的单相奥氏体晶体内有大量的孪晶组织其中大晶粒呈不规则的块状而小晶粒呈等轴状合金的耐电化学腐蚀能力较强 溶液的质量浓度越小合金的耐腐蚀性能越好电化学腐蚀以点蚀方式为主其次为晶间腐蚀成分的不均匀析出以及晶粒的不均匀长大都会加剧上述腐蚀过程关键词:海洋环境 合金电化学特性点蚀中图分类号:文献标识码:文章编号:()():./.:引言海洋环境具有高盐度、高压、低温等特点镍基高温合金作为高性能工程材料在较宽的海洋盐度范围内满足了对耐腐蚀性的苛刻要求具有良好的抗叠加温度、腐蚀负荷以及酸性和盐水介质的化学侵蚀能力 合金是镍基高温合金中强耐腐蚀代表之一是一种以、为基体、为主要强化元素的固溶强化镍基合金在 时有良好的持久性能、疲劳性能、抗氧化和抗腐蚀性能 山 东 建 筑 大 学 学 报 年 范围内均具有良好的韧性和强度国内对 合金的研究较少余秋景等、孙锋等、梅声勇等研究了 合金的热处理工艺得到的合金耐腐蚀性能优异 方轶等研究了均匀化热处理工艺对 合金铸锭组织性能的影响该工艺同样提高了合金的耐腐蚀性能李亚敏等、等、等分析了长期时效过程中 合金的析出相演变得出相由 转变的结论该相变提高了合金的耐腐蚀性能上述研究均为 合金的热处理组织结构的演变以及其性能而对电化学特性的研究较少 世界海水中 的平均质量浓度为./我国的渤海、黄海、东海、南海海水中 质量浓度均为./为拓宽 合金在海水中的实际应用利用 种不同质量浓度的 溶液(分别为.、.、./)作为电解液依次开展极化曲线和交流阻抗测试的实验深入研究合金在海洋极端高盐度环境下的电化学行为探究其耐腐蚀特性机理为 合金在实际海洋中的应用提供理论依据 实验材料与方法选用经过退火处理的圆柱状 合金其组成见表 保温 尺寸为 并将试验材料平均切割成 部分均为 的圆柱取其中一部分作为研究对象将加工完的材料用砂纸打磨并抛光至镜面经丙酮除油及无水乙醇清洗后备用 采用电化学工作站的动电位极化曲线和交流阻抗测试其中实验材料作为工作电极、铂片为辅助电极、饱和甘汞电极()为参比电极 为模拟海洋腐蚀配置质量浓度分别为.、.、./的 溶液作为电解液测试时的温度为 电化学工作站所用的扫描频率为./扫描范围为.依次进行极化曲线和交流阻抗测试 将无水乙醇清洗后的试样用王水腐蚀利用光学显微镜、扫描电子显微镜()观察试样的表面形貌利用 射线能谱仪()进行成分分析表 合金组成的质量分数表单位:组成成分质量分数组成成分质量分数.结果与分析.合金组织结构及成分分析 合金部分区域放大 倍后的金相组织如图 所示 合金组织为面心立方结构的单相奥氏体且晶体内有大量的孪晶组织大晶粒呈不规则的块状小晶粒呈等轴状 由此判断要想得到更好的耐腐蚀性能的合金需要进一步热处理优化图 合金部分区域的金相组织图合金组织的 图谱如图 所示 由图()可知合金组织由灰暗部分和白亮部分组成且晶体内部和晶界处分布着一些颗粒尺寸为 图()是图()中红色方框的放大从图中观察到在晶界位置存在析出凸起物质组织结构呈长条状称为长条状晶体其由白色和灰色两部分组成图 合金的 图像 第 期 方同辉等:模拟海洋环境下 合金耐腐蚀性能的研究 初态长条状晶体组织、能谱如图 所示长大后长条状晶体组织、能谱如图 所示图 合金初态长条状晶体组织和不同位置的 能谱分析图图 中位置、各元素原子数目占比见表 可知图 中的初态长条状晶体主要含有、元素其他组织主要含有、和 元素图 中位置、各元素原子数目占比见表 可知图 中长大后长条状晶体主要含有、元素其他组织主要含有、和 元素 长条状晶体长大后 元素消失、元素原子数目占比增加 元素可与 元素结合生成 长条状晶体灰色部分为 和 元素偏聚物的复合体白色部分为 晶界处的白色物质为长条状晶体主要由显微偏析引起出现的原因是 合金在凝固过程中固液相溶质再分配偏析使得凝固态晶粒间成分不均匀 由图、可知长条状晶体形貌较为明显块状及长条状尖锐碳化物碎化棱角变钝多呈棒状形态图 合金长大后长条状晶体组织和不同位置的 能谱分析图表 图 中位置、元素原子数目占比 单位:位置.位置.表 图 中位置、元素原子数目占比 单位:位置.位置.海洋环境下 合金的电化学行为.动电位极化曲线 合金在不同质量浓度的 溶液中的动电位极化曲线如图 所示 种阳极极化曲线都存在一定范围的钝化电位 在./的 溶液中约为.时腐蚀电压开始增大但腐蚀电流几乎不变在./的 溶液中.腐蚀电压逐渐增大但腐蚀电流几乎不变在./的 溶液中.腐蚀电压逐渐增大但腐蚀 山 东 建 筑 大 学 学 报 年电流几乎不变 综上所述 合金在 种 溶液中均有极好的耐腐蚀性能且存在一定范围的钝化电位随着 溶液质量浓度增大耐腐蚀性能减弱图 不同质量浓度 溶液对 合金极化曲线的影响图 合金在不同质量浓度 溶液中的自腐蚀电压、自腐蚀电流见表 自腐蚀电流和自腐蚀电压常用来表征材料耐腐蚀性能自腐蚀电压越小、自腐蚀电流越大材料的耐腐蚀性能越好由表 可知随着 溶液质量浓度的增大自腐蚀电压逐渐减小自腐蚀电流逐渐增大 合金的耐腐蚀性能更好表 合金在不同质量浓度 溶液中的自腐蚀电压、自腐蚀电流表 质量浓度/()自腐蚀电压/自腐蚀电流/.交流阻抗谱不同质量浓度 溶液对 合金电化学阻抗谱的影响如图 所示 阻抗曲线偏离半圆轨迹越大其容抗弧半径越大表明材料表面阻抗就越大 在不同质量浓度的 溶液中 合金电化学阻抗曲线具有相同的变化趋势其容抗弧半径随 溶液质量浓度的增大而减小 由图 可知 合金表面会形成钝化膜 质量浓度对 合金表面的钝化膜致密性影响较为明显 溶液质量浓度越低钝化膜的致密性越好随着 溶液质量浓度的增大会加剧吸附在钝化膜的表面形成金属氯化物破坏原本致密的钝化膜使得钝化膜对 合金保护性能下降综上所述 合金所处的 溶液质量浓度越低合金的耐腐蚀性能越好 交流阻抗谱的等效模拟电路如图 所示为溶液电阻为电荷转移电阻为界面双电层电容为钝化膜的电阻为钝化膜电容图 不同质量浓度 溶液对 合金电化学阻抗谱的影响图图 交流阻抗谱的等效模拟电路图.机理分析在模拟海洋环境下 合金的表面会形成钝化膜钝化膜具有双极性特性可以明显提高镍基合金耐蚀性能 随着合金所处溶液 质量浓度的升高钝化膜多数载流子质量浓度也会随之增大 载流子质量浓度的增大会使钝化膜不断溶解导致氧空穴、金属空穴等缺陷增多空穴不断积累会形成点蚀如图 所示 未经腐蚀的合金没有形成点蚀如图 所示 点蚀出现的主要原因是由于钝化膜的局部破裂在点蚀源生长的最初阶段溶解下来的金属离子发生水解生成 造成和点蚀坑接触的溶解层的 值下降形成一个强酸性的溶解区 如此反复加速了合金金属元素的溶解使得点蚀坑变大、变深腐蚀产物覆盖点蚀坑口点蚀坑内溶液之间的物质迁移困难点蚀坑内的金属介质质量浓度增大点蚀坑内正电荷过剩形成电场以及金属介质水分解导致 值加速下降 这两方面因素使得 电泳作用通过点蚀坑口和腐蚀产物的空隙扩散进入 在点蚀坑内富集点蚀坑内强酸环境使得点蚀坑内壁处于活性态作为阳极而点蚀坑外合金表面处于钝化状态作为阴极形成小阳极大阴极的活性态钝化态电池体系加 第 期 方同辉等:模拟海洋环境下 合金耐腐蚀性能的研究 速了点蚀坑的增大图 合金腐蚀后局部图图 合金腐蚀前局部图 合金的组织结构为固溶体若晶界处有不同元素析出形成不同的物质会造成晶界和晶粒合金元素成分和结构的不均匀 在腐蚀电位下晶粒和晶界溶解速度不同在海洋环境下晶界处的溶解速度会远远大于晶体的溶解速度容易形成晶间腐蚀 结论通过上述研究得到以下结论:()退火态 合金组织为面心立方结构的单相奥氏体且晶体内有大量的孪晶组织大晶粒呈不规则的块状小晶粒呈等轴状在晶体的内部和晶界附近分布一些微米级的灰色和白色的长条状晶体灰色部分为 和 元素偏聚物的复合体而白色凸出部分为()在极端海洋高盐度环境下 合金的电化学行为中阳极极化曲线都存在一定范围的钝化电位 溶液质量浓度越小合金的耐电化学腐蚀越好()在极端海洋高盐度环境下 合金的电化学腐蚀以点蚀方式为主其次为晶间腐蚀成分的不均匀析出以及晶粒的不均匀长大都会加剧这两种腐蚀参考文献:.:.():.邓德伟刘倩倩李晓娜等.脉冲电流对 合金裂纹尖端组织及性能的影响.金属热处理():.马天军徐文亮.固溶处理工艺对冷轧 镍基合金带材显微组织的影响.热处理():.俞秋景刘晓岩.合金热处理工艺.金属加工(热加工)():.孙锋梅林波刘松锋等.合金凝固偏析的理论分析.热力透平():.梅声勇郑磊蒙肇斌等.合金铸锭元素偏析和均匀化工艺.北京科技大学学报():.方轶朱玉亮郑文杰等.均匀化热处理工艺对 合金铸锭组织性能的影响.特钢技术():.李亚敏朱瑞明刘洪军 等.长期时效过程中 合金的析出相演变.金属热处理():.:.():.黄桂桥.镍基和铁镍基合金在不同海域海水中的腐蚀.装备环境工程():.陶琳程明张伟红等.合金高温高速热变形行为.材料热处理学报():.:.霍玉双陈文玮罗辉.低碳镍材料焊接性能的研究.山东建筑大学学报():.刘志超周海涛李庆波等.合金的热变形行为.热加工工艺():.韩晨阳孙耀宁徐一飞等.激光熔覆镍基合金磨损及电化学腐蚀性能研究.表面技术():.:.(下转第 页)山 东 建 筑 大 学 学 报 年 .:.:.:.:.:.王清海王秀娟方健君等.钢结构用水性膨胀型防火涂料的制备及性能研究.涂料工业():.石楚琪苏建华赵倩.含磷环氧树脂及防火隔热涂料的制备与性能.化工新型材料():.()/.:.:.于全蕾李旭光周莲洁等.水性超薄膨胀型防火涂料的制备与性能研究.涂料工业():.于欢蔡艳青王婷婷等.水性膨胀型钢结构防火防腐涂料的制备及性能分析.高分子通报():.:.:.:.孙娜娜黎春阳李国军.水性无机膨胀型防火涂料的制备及性能研究 第二部分 膨胀阻燃过程的研究.电镀与涂饰():.:.涂层与防护.年全球膨胀型防火涂料市场规模达到.亿美元.涂层与防护():.鄂忠敏.全球涂料市场分析及国外技术进展.涂层与防护():.(学科责编:耿斐)(上接第 页)项东贾立群罗辉等.金刚石化学镀 金属薄膜研究.山东建筑大学学报():.:.张晖李成涛宋利君等.镍基 合金在超纯水中常温下的电化学行为及高温高压下的腐蚀行为.材料保护():.欧新哲姚雷黄妍凭.固溶处理对 合金组织和力学性能的影响.金属功能材料():.罗辉项东郭晓斐.奥氏体不锈钢晶粒度对晶间腐蚀速度的影响.山东建筑大学学报():.董建新谢锡善.不同 含量高温合金中 相析出行为及作用.金属学报():.秦紫瑞李隆盛于勇.对铸造镍基合金组织与耐蚀性能的影响.铸造技术():.(学科责编:耿斐)