[00143949]Sigma相对超级双相不锈钢海水环境腐蚀磨损的调控作用

一、课题来源与背景 超级双相不锈钢（SDSS）不仅具有很高的强度,而且对于全面腐蚀、局部腐蚀以及应力腐蚀、腐蚀疲劳等多种腐蚀形态都具有极强的耐受性,其耐蚀性在海水环境中表现得尤为突出。这些优势使得SDSS在高强度与优良耐蚀性的海洋环境应用场合得到了广泛的应用。以S32750为代表的超级双相不锈钢常与高性能工程塑料或陶瓷材料配合构成海水泵等水力机械设备的关键摩擦副。然而,海水极强的腐蚀性与低粘度导致的润滑性差使得SDSS作为摩擦材料在海水环境中使用时,常常面临着严重的腐蚀-磨损耦合损伤。 σ相是超级双相不锈钢在其热处理过程中最主要的二次生成相,σ相析出对于SDSS耐蚀性与耐磨性具有完全相反的作用结果：σ相析出会严重恶化SDSS的耐腐蚀性能,然而可极大提升SDSS的耐磨损性能。这种完全相反的作用带来了一个尖锐的科学问题,即：在应对腐蚀-磨损耦合损伤时,应优先诱导σ相析出以提高SDSS耐磨性还是消除σ相析出以保证其耐蚀性？对于运行于海水中的SDSS,可否通过控制σ相的含量在适当区间以调控其耐腐蚀磨损性能达到最佳？到目前为止,有关超级双相不锈钢σ相与其海水环境腐蚀磨损相关性之间的研究尚未见诸报道。 二、研究目的与意义 本项目明晰不同运行条件与配副方式下超级双相不锈钢σ 相含量与其海水环境腐蚀磨损行为之间具体的相关性以及σ 相作用机制;掌握σ 相对SDSS 海水环境腐蚀磨损性能的调控规律。 三、主要论点与论据 掌握了超级双相不锈钢Sigma相的析出规律。850℃热处理温度、水冷条件最有利于Sigma相的生成。在此条件下,随热处理时间延长Sigma相析出规律符合Logistic增长曲线,在45min以后逐渐达到稳定,析出量稳定在38%左右。随Sigma相析出,SDSS表面硬度大幅提升,最大析出量时硬度提升达到40%。明确了Sigma相的调控作用与机制。Sigma相的作用表现为三个方面：Sigma相具有减摩作用;Sigma相能有效提升摩擦表面硬度,具有耐磨作用;Sigma相析出加速了SDSS的腐蚀,但是腐蚀对于磨损呈现出 “负反馈”作用。在三种因素耦合作用下,SDSS的腐蚀磨损速率因Sigma相的析出显著降低,Sigma相含量约20%时出现最低值,随后逐步升高,说明：Sigma相的可控析出可改善并调控SDSS的腐蚀磨损性能,最佳析出量在20%左右。揭示了机械磨损与电化学腐蚀之间的交互作用规律与机制。Sigma相析出改变了SDSS的腐蚀-磨损交互作用机制,导致了 “负协同效应”的发生。对于未作热处理的SDSS,在海水环境中表现出典型的腐蚀-磨损协同促进机制。而一旦微观组织中有Sigma相析出,SDSS将呈现出机械磨损与电化学腐蚀之间的对立作用,主要表现为腐蚀对于磨损的负反馈。证实了SDSS海水环境中与软质聚合物材料的理想配副模式。CF/PEEK是SDSS海水环境中理想的摩擦配副,其转移层不仅具有边界润滑作用,还可以隔绝海水介质对SDSS表面的侵蚀,有效降低SDSS磨损失效与动态腐蚀。 四、创见与创新 （a）σ相对超级双相不锈钢海水环境腐蚀磨损调控作用的研究：σ相析出对SDSS 的耐蚀性能与耐磨损性能的影响存在显著差异。为了应对海水环境中的腐蚀-磨损耦合损伤,是优先诱导σ相析出以提高SDSS 的耐磨性还是抑制析出以保证SDSS 的耐蚀性？这是一个尖锐的科学问题,也是一个重要的工程问题。目前为止尚未有科学家的研究涉及到上述问题。因此,σ相对超级双相不锈钢海水环境腐蚀磨损调控作用的研究具有一定的创新性。 （b）机械磨损与电化学腐蚀交互作用的高度定量研究：项目参照标准 ASTM G 119-09 对SDSS 腐蚀-磨损交互作用进行细致研究,定量得到了几乎所有腐蚀磨损过程所涉及的参数,有助于我们更详尽、更直接地认识SDSS 腐蚀、磨损间的交互作用。这是本项目研究有别与以往研究的一大特色。 （c）深层次微观机制的研究：在宏观研究的基础上,本项目将揭示σ相影响SDSS 腐蚀、磨损以及二者耦合损伤的微观机制,并分析腐蚀与磨损间的微观加速机制。σ相微观作用机制的研究有助于更深刻地理解σ相对超级双相不锈钢海水环境腐蚀磨损的宏观调控作用,具有重要的科学意义。而微/纳尺度腐蚀-磨损交互作用机制的研究一直是金属腐蚀磨损研究领域的热点与难点。因此,深层次微观机制的研究是本项目的另一特色之处。 五、社会经济效益,存在的问题; 项目研究过程中研发了一种超高耐磨聚醚醚酮复合材料,并发现了其在水环境下与多种金属材料极为优异的配副性能,这种配副方式能够有效降低金属材料的磨损失效与动态腐蚀,而且在超低粘度的水介质环境下易于实现有效的流体润滑,是水相介质工况下极为理想的配副选择。项目团队将该项研究成果推广应用于我国空间站某型水泵中,实现了特定摩擦副的高可靠、长寿命服役。 六、历年获奖情况 无。