第一作者：赵阳      

通讯作者：花勇，张涛  

作者单位：东北大学    

论文DOI：https://doi.org/10.1016/j.corcom.2021.09.002

正文

由于陆地油气资源的不断消耗，人们把关注的焦点集中在对深海资源的开发与利用上。深海环境具有高压、低温、含氧量较低、侵蚀性强等特点。如此苛刻的环境，给深海油气管道的选材带来诸多困难。316L不锈钢因具有高强度、低成本、高耐蚀性而被广泛应用到深海石油管道的建设中，然而根据现场的数据得知，30%的油管在使用初期依然发生严重的穿孔甚至断裂。刚刚投入生产的油管被迫进行维护跟修理，造成了巨大的经济损失。目前，除了涂层和阴极保护外，激光熔覆技术作为一种新型的材料制备技术，现被广泛应用于优化材料微观结构，提高材料的腐蚀性能。 

激光熔覆技术是以激光束为热源，在高温、高真空条件下逐层精密制造复杂的金属结构，具有加工步骤少、组织成分控制均匀等优点，目前已广泛用于制备316L不锈钢。Zietala等利用激光熔覆技术制备的316L不锈钢与铸造316L不锈钢相比，点腐蚀电位明显提高（约300 mV）, 其原因主要是归于快速凝固过程中组织的细化。Sander等认为利用激光熔覆技术可以使不锈钢中常见的MnS夹杂湮灭，亚稳态点腐蚀发生的概率降低，耐蚀性得以显著提高。此外，Sun和Laleh等认为激光熔覆技术制备的316L不锈钢相比于铸造316L不锈钢虽然具有较高的点腐蚀电位，但是其再钝化性能较差，其原因主要是激光熔覆技术制备的316L不锈钢内部存在细小的微孔。综上所述，利用激光熔覆技术提高316L不锈钢耐蚀性的机理尚不明确，并且以往的研究主要集中在常温常压环境，相关的腐蚀规律是否同样适用于深海环境中尚未可知。

有鉴于此，东北大学材料科学与工程学院张涛教授、赵阳副教授所属的“轻合金表面处理和油气工业的腐蚀与防护”团队发表题为“Improved corrosion performance of selective laser melted stainless steel 316L in the deep-sea environment”的研究论文。该文章着重对比了激光熔覆和铸造316L不锈钢在深海环境下的钝化膜的成分、半导体性能和电化学性能。较为详细地阐述了激光熔覆316L不锈钢耐蚀性得以显著提高的机理，为其在深海环境下的应用提供了数据支撑。

研究结果表明，利用激光熔覆技术可明显提高316L不锈钢在深海环境下的耐蚀性。激光熔覆和铸造316L不锈钢在深海条件下的钝化膜成分均由晶态的Fe2O3、Cr2O3氧化物和非晶态的 Cr(OH)3氢氧化物组成。然而，激光熔覆的316L不锈钢钝化膜中Cr2O3所占的比例要明显大于铸造316L不锈钢。两种不锈钢的钝化膜均呈n型半导体特性，而激光熔覆的316L不锈钢钝化膜的氧空穴密度同样明显大于铸造316L不锈钢，界面处氧空穴密度的降低可以明显提高钝化膜的稳定性。激光熔覆316L不锈钢耐蚀性得以明显提高的原因是其具有更小的晶粒和更高的晶界密度。晶界可以看作是原子的扩散通道，会增强受电迁移过程控制的稳定氧化物的形成，减小受溶解再沉积控制的非稳定的氢氧化物的沉积。最终，激光熔覆316L不锈钢的钝化膜更加稳定，点腐蚀的萌生、成长速率均明显降低，表现出较高的耐蚀性。

本文章是该团队率先利用之前已经建立的“溶解-电离-沉积”(DID)模型深入理解并解决深海腐蚀领域中的传统理论和挑战性的工程问题。将来，我们还会以DID模型为基础，揭示H2S-CO2腐蚀机理（阴极过程存在着复杂的电离平衡和竞争性的沉积）；深入理解Cr含量对不锈钢腐蚀行为的影响（腐蚀领域中的传统理论 — Cr含量的1/8定律）；揭示活性溶解、钝化和过钝化的转变机制（定量计算动电位极化曲线）；建立自然环境下材料腐蚀寿命与盐雾试验之间的关联（腐蚀寿命预测）；以及耐蚀不锈钢、镁合金和铝合金的设计等等。

图文解析

图1 激光熔覆316L不锈钢(a-c)和铸造316L不锈钢(d-f)的显微组织、晶粒取向和晶粒尺寸分布图

图2 激光熔覆316L不锈钢和铸造316L不锈钢在深海环境下动电位极化曲线

图3 激光熔覆316L不锈钢和铸造316L不锈钢在深海环境下钝化膜成分对比

图4 激光熔覆316L不锈钢和铸造316L不锈钢在深海环境下钝化膜的载荷-深度曲线图(a)和硬度及模量图(b)

图5 激光熔覆316L不锈钢和铸造316L不锈钢在深海环境下点腐蚀的累积概率图(a)、Gumbel分布图(b)和成长概率图(c)

作者简介

赵阳，2018年毕业于哈尔滨工程大学获博士学位，东北大学副教授。主要从事油气工业的腐蚀与防护。在国际上率先通过修正热力学参数，综合考虑合金组元与H2O、离子的共同作用，建立了系列性的高温高压“Fe-Cr-Cl--CO2-H2O”五元E-pH图。从热力学角度指导苛刻油气环境下油井管选材。英国科学院/工程院两院院士A. Neville 教授对E-pH图工作给予了高度评价。在此基础上，从动力学角度发展出“多自由度腐蚀寿命预测技术”，预测结果与现场数据高度吻合。相关成果被中石化西北局作为油井管选材的重要依据，目前正在进行现场试采试验。最后打通了腐蚀热力学和动力学之间的壁垒，提出了“溶解-电离-沉积图，DID的概念”，利用该模型初步开发了HP-13Cr-Cu不锈钢有效解决了HP-13Cr不锈钢在高温高压H2S环境下应力腐蚀断裂的问题。目前发表SCI论文20篇，申请专利2项。应邀在第六届全国腐蚀大会上做特邀报告1次、CORSYM-2019会议上做Keynote报告1次。主持国家自然科学基金青年项目、中国博士后基金、中石化项目2项。入选第六届“中国科协青年人才托举工程” ，荣获2021年中国腐蚀与防护学会科学技术奖一等奖。兼职国际期刊《Journal of Materials Science & Technology》、《Acta Metallurgica Sinica (English Letters)》、《Corrosion Communication》、核心期刊《中国腐蚀与防护学报》长期审稿人。