本文是一篇关于新型高氮奥氏体不锈钢（QN2109 SS）在氯化物环境中的电化学腐蚀和钝化行为的研究论文，发表于2022年9月28日的《Materials Chemistry and Physics》期刊上。研究由Hongxu Cheng、Hong Luo、Xuefei Wang、Zhimin Pan、Yi Jiang和Xiaogang Li等作者共同完成，研究单位包括北京科技大学的国家材料腐蚀与防护数据中心、教育部腐蚀与防护重点实验室以及福建青拓特种钢技术研究有限公司。
研究背景与目的
奥氏体不锈钢因其高强度、良好的延展性和耐腐蚀性，广泛应用于各种腐蚀环境中。然而，传统的奥氏体不锈钢（如316L SS）在热带海洋环境中表现出较差的抗点蚀性能，且成本较高。为了克服这些缺点，高氮奥氏体不锈钢因其优异的机械性能和抗腐蚀性能而备受关注。氮元素不仅可以增强奥氏体相的形成，还能通过固溶强化提高不锈钢的硬度、机械性能和抗点蚀能力。此外，氮的加入可以减少镍的使用，降低生产成本。QN2109 SS是一种新型高氮奥氏体不锈钢，旨在同时具备良好的耐腐蚀性、机械性能和低成本。然而，关于QN2109 SS在氯化物环境中的电化学和钝化行为的系统性研究较少。本研究旨在探讨QN2109 SS在氯化物环境中的电化学腐蚀和点蚀行为，并表征其钝化膜的成分和半导体特性。
实验方法与流程
研究采用了多种电化学测试方法，包括动电位极化（potentiodynamic polarization）、电化学阻抗谱（EIS）、Mott-Schottky分析和X射线光电子能谱（XPS）。实验材料为QN2109 SS，样品经过切割、打磨、抛光和清洗后，分别在0.5 wt%、1.5 wt%、3.5 wt%和5.5 wt%的NaCl溶液中进行电化学测试。实验还通过扫描电子显微镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）对样品的显微结构进行了分析。
主要结果
- 显微结构分析：QN2109 SS由许多等轴晶粒和再结晶结构组成，晶粒尺寸分布均匀，平均晶粒尺寸约为18 μm。X射线衍射（XRD）分析表明，QN2109 SS为面心立方结构，未发现其他化合物。
- 动电位极化测试：QN2109 SS在0.5-3.5 wt% NaCl溶液中表现出较宽的钝化区，表明其具有较强的钝化能力。随着NaCl浓度的增加，钝化区变窄，阳极部分曲线向右移动，表明高浓度的氯离子更容易破坏材料表面的钝化膜。QN2109 SS在3.5 wt% NaCl溶液中的腐蚀电流密度（icorr）为0.165 μA/cm²，点蚀电位（Ep）为1.209 V，表现出优异的耐腐蚀性。
- 点蚀形貌分析：在3.5 wt% NaCl溶液中，QN2109 SS在40-70°C下的点蚀电位均高于316L SS，表明其具有更好的抗点蚀性能。随着温度的升高，QN2109 SS的点蚀深度和面积逐渐增加，但在70°C时，点蚀深度有所减小。
- 恒电位极化测试：在0.5-5.5 wt% NaCl溶液中，QN2109 SS均表现出亚稳态点蚀行为。随着NaCl浓度的增加，亚稳态点蚀频率（MPF）和电荷量（qpit）增加，表明高浓度的氯离子会加速金属的阳极溶解过程。
- 电化学阻抗谱（EIS）分析：随着NaCl浓度的增加，QN2109 SS的腐蚀电阻（Rp）逐渐降低，表明其耐腐蚀性下降。EIS数据拟合结果表明，钝化膜具有双层结构，外层为金属氢氧化物，内层为金属氧化物。
- Mott-Schottky分析：QN2109 SS的钝化膜表现出p型和n型半导体特性，随着NaCl浓度的增加，电荷载流子密度（na和nd）增加，表明电化学反应在溶液/金属界面更加剧烈。
- XPS表面分析：钝化膜主要由Fe、Cr和Mo的氧化物组成，随着NaCl浓度的增加，Cr(OH)3和FeOOH的含量增加，而Cr2O3和Fe2O3的含量减少。此外，钝化膜中存在CrN、NH3/NH4+和Mo氧化物，这些成分有助于提高钝化膜的稳定性。
结论
QN2109 SS在NaCl溶液中表现出优异的钝化行为和抗点蚀性能，尤其是在高温环境下，其抗点蚀性能优于316L SS。高浓度的NaCl会降低钝化膜的自我修复能力，促进亚稳态点蚀的形核和生长。钝化膜具有p型和n型半导体特性，随着NaCl浓度的增加，电荷载流子密度增加，导致电化学反应更加剧烈。钝化膜中的CrN、NH3/NH4+和Mo氧化物有助于提高其稳定性，而Cu的存在则限制了Cr氧化物的形成，不利于钝化膜的稳定性和连续性。
研究亮点
- QN2109 SS在氯化物环境中表现出优异的抗点蚀性能，尤其是在高温环境下优于316L SS。
- 钝化膜的高O2-/OH-比例使其具有良好的自我修复能力，但随着NaCl浓度的增加，O2-/OH-比例降低，阻碍了钝化膜的修复过程。
- 钝化膜具有p型和n型半导体特性，电荷载流子密度随NaCl浓度的增加而增加，导致电化学反应更加剧烈。
- 钝化膜中的CrN、NH3/NH4+和Mo氧化物有助于提高其稳定性，而Cu的存在则限制了Cr氧化物的形成，不利于钝化膜的稳定性和连续性。
研究价值
本研究为开发适用于高氯化物环境的高性能高氮奥氏体不锈钢提供了重要的实验数据和理论支持，具有重要的科学和应用价值。