含氧水蒸气中固态盐膜下金属中温电化学-化学腐蚀协同机制研究

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
51371181
项目类别：
面上项目
资助金额：
80.0万
负责人：
李瑛
依托单位：
中国科学院金属研究所
学科分类：
E0103.金属材料使役行为与表面工程
结题年份：
2017
批准年份：
2013
项目状态：
已结题
起止时间：
2014-01-01 至2017-12-31

项目参与者：
叶薇；李洋；范磊；李曼；于钟芬；
关键词：
化学氧化固态盐膜含氧水蒸气中温腐蚀电化学腐蚀

项目摘要

In this study, the main focus was put on the electrochemical corrosion behavior and its synergic effect with oxidation process of the metals under solid salt deposit in water vapor at intermediate temperature, basing on it's the long-term corrosion performance. In order to find out the main factor which induced the electrochemical reaction and to elucidate the electrochemical corrosion mechanism,the morphologies and chemical states of water vapor and solid salt will be detected using SEM, XRD,XPS and in-situ SPM. The adsorption -decomposition process of water vapor and salt on the alloy surface as well as the interaction between them can be analyzed basing on the the above experiment results. The type, the density and the diffusion speed of the carriers in salt and oxidation film will be measured by electrochemical technique and the formation mechanism of the carrier will be analyzed as well.

针对热端部件在海洋大气环境的中温腐蚀问题，利用扫描探针显微镜、X射线光电子能谱、拉曼光谱等表面分析技术，观察腐蚀过程中盐、水蒸气在金属表面的形态和化学态的变化，探讨盐、水蒸气在金属表面各自的吸附-解离过程及相互作用规律，分析盐膜和氧化膜中载流子的形成机制，阐明电化学反应发生的根本原因；利用电化学测试技术获得M-S曲线，配合稳态电化学测量技术，分析腐蚀过程中盐膜、氧化膜中载流子的种类、密度和传输速度的变化规律；通过分析载流子的传输行为，阐明电化学腐蚀的微观机制；通过对金属长期腐蚀过程中电化学反应和化学氧化行为的分析，揭示含氧水蒸气中固态盐膜下金属电化学反应与化学氧化的协同作用规律，全面掌握金属在海洋大气环境中的中温腐蚀规律。

结项摘要

项目针对热端部件在海洋大气环境的中温腐蚀问题，利用多种表面分析技术和电化学测试技术，通过观察腐蚀过程中盐、水蒸气在金属表面的存在状态，分析盐、水蒸气在金属表面各自的吸附-解离过程及相互作用规律以及盐膜和氧化膜中载流子的形成机制，阐明电化学腐蚀的微观机制，揭示含氧水蒸气中固态盐膜下金属电化学反应与化学氧化的协同作用规律。研究发现，微量的NaCl即可引发Fe-20Cr合金严重腐蚀行为。钛合金对水蒸气腐蚀都非常强的免疫力，但氯化钠存在将使其快速腐蚀劣化，仅有盐沉积而无水蒸气时钛合金也发生明显的电化学腐蚀。上述研究结果颠覆了以往对两种材料耐蚀能力的认识，在材料防腐设计中具有重要价值。机理研究发现，Fe-20Cr合金在600 oC的盐雾环境中形成腐蚀产物膜为双层结构，Cl在内外腐蚀产物层中都有微量分布，在内外层的界面处有痕量富集，一旦双层腐蚀产物膜建立后，即便无NaCl补充，Fe-20Cr合金的快速腐蚀也可持续进行；Ti60合金表面的腐蚀产物形具有多层结构，腐蚀过程中，沿着晶界，金属合金元素Ti，Al，和Zr向外扩散，与O2，H2O和NaCl反应形成外腐蚀层，而腐蚀介质Cl向内扩散，在内腐蚀层中取代Ti氧化物中氧的位置弥散分布；掺杂的Cl以离子的形式扩散至金属基体后，将与金属发生循环反应，只要氧化剂充足，该循环反应就一直快速完成；水蒸气参与了整个腐蚀产物层的形成，并促使内氧化膜片层区的氧化物结构进一步发生变化，大量的晶界、缺陷和空位为H离子的扩散提供了更多通道，电化学反应更加容易，扩大了NaCl的加速作用。但水蒸气的引入可以降低金属的长期腐蚀速率。上述研究结果进一步加深了对金属在该环境中腐蚀行为的电化学机制的认识。研究还发现合金元素对600oC的NaCl+H2O+O2环境的敏感性不同，Al和Ni是属于惰性元素，特别是Ni，加入NaCl对其抗腐蚀性能还有一定的提高，是抗腐蚀性能最好的合金元素。该研究结果对设计耐蚀合金具有直接指导意义。