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原子尺度的结构信息为提高不锈钢的抗点蚀能力提供了新途径


固体原子像研究部马秀良研究员、张波副研究员、郑士建博士以及博士生周杨韬等人组成的“不锈钢点蚀”研究小组利用高分辨率的透射电子显微技术,发现MnCr2O4纳米八面体是加速不锈钢点蚀形核初期硫化锰局域溶解的原因。在此基础上,他们提出的提高不锈钢抗点蚀能力的新方法有望以简捷、高效、低成本的形式在工业生产中得到广泛应用。

不锈钢具有优异的耐均匀腐蚀的能力,但其局部点状腐蚀(即“点蚀”)却难以避免。虽然业已普遍认为,点蚀的发生起因于不锈钢中硫化锰夹杂的局域溶解,但由于缺乏微小尺度的结构信息,点蚀的形核位置一直被描述为“随机和不可预测的”,这制约着人们对不锈钢点蚀机理的认识以及抗点蚀措施的改进。

马秀良研究员等人利用透射电子显微技术发现,MnS夹杂中弥散分布着的MnCr2O4八面体作为电化学微电偶电池的阴极在一定的介质条件下加速MnS的阳极溶解(Acta Materialia 2010),这一发现为揭示不锈钢点蚀的起始位置提供了直接证据,使人们对不锈钢点蚀机理的认识从先前的微米尺度提升至纳米甚至原子尺度。

在此基础上,该研究小组在如何提高奥氏体不锈钢的抗点蚀能力方面提出了一种新思路。他们通过在硫酸铜溶液中对不锈钢材料进行化学处理,使得MnS表面发生阳离子交换反应形成一层电极电位明显高于MnS的Cu2-xS结构。该反应使得点蚀形核率降低了1~2个数量级(Scientific Reports 2014)且不影响不锈钢表面原有的钝化膜结构,这一方法有望以简捷、高效、低成本的形式在工业生产中得到应用。

Typical SEM images of the samples suffered corrosion electrochemical tests in 0.5 M NaCl solution: (a) untreated sample, (b) sample with 10 minutes treatment in 0.005 M CuSO4 solution and (c) sample with 1 hour treatment in 0.005 M CuSO4 solution. The chemical modification via bathing the sample in CuSO4 solution greatly reduced the number of pits resulting from local dissolution of MnS.

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