中科院金属所刘莉Corros. Sci.：Fe-20Cr合金在600℃ NaCl溶液中的腐蚀行为的研究

【引言】

海洋环境是一个高度潮湿和盐碱的环境，尤其是海洋空气中含有大量的NaCl颗粒和水汽。过去十年的研究结果表明，在中温下，固体氯化钠沉积物和水蒸气的协同作用加速了飞机和船舶在海洋环境中工作的涡轮叶片材料的腐蚀行为。

金属/合金的腐蚀行为，不仅包括纯Fe，纯Cr 和不同Cr含量的Fe-Cr合金，还包括金属如高温钛基合金Ti60、304不锈钢、K38G合金等。不同的金属对特殊的腐蚀环境有不同的敏感性。碱金属氯化物和湿法氧气对不锈钢的协同效应归因于“活性腐蚀”（Cl循环）机制。根此Cl^-在这个特殊的环境中作为腐蚀的催化剂。此外，金属与碱金属氯化物之间的化学反应产生的HCl和Cl₂气体会使Fe合金，Fe-Cr合金和Ni-Cr合金的腐蚀速率倍增，碱金属氯化物在500-700℃的水蒸气或无水蒸气的环境下对多种金属腐蚀有影响。实际中，飞机的涡轮叶片、海洋空气中的船舶、废电厂中的蒸汽过热器，在金属表面上形成厚的固体NaCl或KCl沉积层都是非常困难的。

【成果简介】

近日，中国科学院金属研究所刘莉(通讯作者)等人在期刊Corros. Sci.发表了题目为“Studies on the corrosion behavior of Fe-20Cr alloy in NaCl solution spray at 600 °C”的最新研究的文章。通过建立一个模拟海洋大气环境的新型仿真装置，通过设计该装置接近飞机发动机叶片材料的实际使用环境，并通过质量增益测量、扫描电子显微镜、X射线衍射、X射线光电子能谱等方法，与固体NaCl在水蒸气中的腐蚀行为进行了比较，研究了Fe-20Cr在600℃NaCl溶液中的腐蚀行为，并与同温度下水蒸气固相NaCl沉积的Fe-20Cr合金的腐蚀行为进行了比较，根据实验结果讨论了Cl对Fe-20Cr在NaCl溶液中的腐蚀行为的影响。

【图文导读】

图1. 不同环境处理示意图

（a）盐雾介质的炉系统的示意图

（b）水汽环境固体NaCl沉积物处理示意图

图2. 质量增加与暴露于H₂O +空气、盐雾介质和固体NaCl沉积物的水样在600℃的水蒸气中暴露时间的关系

图3. 在不同条件下的600℃暴露20小时的样品的SEM表面形态图像：

（a）H₂O +空气环境

（b）NaCl溶液喷雾环境

（c）水蒸气环境中固体NaCl沉积物

图4. 不同环境下暴露20 h后腐蚀产物剖面形貌及分析

（a）NaCl溶液喷雾环境

（b）从腐蚀表面到基底的O，Cr和Fe的含量深度分析

（c）（a）中的红框区域的放大率（b）烧蚀试验前C/C复合材料的原始表面形貌

图5 在水蒸汽环境中暴露于固体NaCl沉积物20小时后，腐蚀垢的截面形态图

图6在600℃盐雾环境下暴露20小时的Fe-20Cr合金横截面的元素分布的EPMA图

图7在600℃固态盐介质环境下暴露20小时的Fe-20Cr合金横截面的元素分布的EPMA图

图8  Fe-20Cr合金在600℃下暴露于盐雾环境中20小时的腐蚀产物的TEM图像

（a）表面和外层的TEM图像

（b）外层和内层的TEM图像

（c）内层和基底的TEM图像

（d）外柱状结构的元素线扫描

【小结】 

本文实验研究讨论了Cl对Fe-20Cr在NaCl溶液中的腐蚀行为的影响，结果显示Fe-20Cr在600℃NaCl溶液喷雾环境中的腐蚀速率受NaCl颗粒和水蒸汽的影响大大增强。在NaCl溶液喷雾环境中，Fe-20Cr合金的腐蚀结垢由柱状晶体结构缺陷的外层Fe₂O₃层和具有致密晶体结构混合物的明显的FeCr₂O4内层组成。 进一步研究发现，整个腐蚀层中都存在微量Cl，同时，由于外层和内层腐蚀层的结构差异，显示出微量的富集现象。少量瞬态Cl可以吸附在Fe-20Cr表面，破坏Cr₂O₃的保护。然后，在外部腐蚀层中形成柱状晶体结构的Fe₂O₃，加速离子扩散，加速Fe-20Cr的腐蚀。

文献链接：Studies on the corrosion behavior of Fe-20Cr alloy in NaCl solution spray at 600 °C

（Corros. Sci.，2018，DOI：doi.org/10.1016/j.corsci.2018.01.033）

本文由材料人编辑部张润凯编译，材料牛整理编辑。

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