Представляем нано
npj Деградация материалов, том 6, номер статьи: 54 (2022 г.) Цитировать эту статью
1205 Доступов
3 цитаты
Подробности о метриках
Широко используемые нержавеющие стали и их деформированные варианты обладают антикоррозионными свойствами в условиях окружающей среды благодаря пассивационным слоям, состоящим из оксидов хрома. Традиционно коррозию и эрозию сталей связывают с разрушением таких слоев, но редко с причиной, зависящей от неоднородности поверхности на микроскопическом уровне. В этой работе химическая неоднородность нанометровой поверхности на поверхности, обнаруженная с помощью спектральной микроскопии и хемометрического анализа, неожиданно доминирует над разрушением и коррозионным поведением холоднокатаной супердуплексной нержавеющей стали 2507, модифицированной церием (SDSS), над ее горячедеформированной аналог. Несмотря на то, что холоднокатаный SDSS относительно равномерно покрыт слоем естественного Cr2O3, что было обнаружено с помощью рентгеновской фотоэмиссионной электронной микроскопии, он плохо вёл себя в пассивном состоянии из-за локально распределенных наноостровков, богатых Fe3+, над слоем оксида Fe/Cr. Эти знания на атомном уровне обеспечивают глубокое понимание коррозии нержавеющей стали и, как ожидается, принесут пользу в борьбе с коррозией аналогичных высоколегированных металлов.
С момента изобретения нержавеющей стали антикоррозионные свойства сплава хрома и железа приписывались хрому, который образует сильный оксид/оксигидроксид, который обеспечивает пассивное поведение в большинстве сред. Супердуплексные нержавеющие стали (SDSS) с лучшей коррозионной стойкостью обладают превосходными механическими свойствами по сравнению с обычными (аустенитными и ферритными) нержавеющими сталями1,2,3. Повышенная механическая прочность позволяет создавать более легкие и компактные конструкции. Напротив, высокая стойкость к точечной и щелевой коррозии экономичных SDSS обеспечивает более длительный срок службы, расширяя их применение для контроля загрязнения, химических судов и морской нефтегазовой промышленности4. Однако узкий диапазон температур горячей обработки и плохие свойства формовки препятствуют его практическому применению в больших масштабах5. Таким образом, SDSS модифицируется для улучшения вышеупомянутых характеристик. Например, Ce-модификация была введена в 2507 SDSS (Ce-2507) вместе с высоким содержанием азота6,7,8. Редкоземельный элемент (Ce) в подходящей концентрации 0,08 мас.% улучшает механические свойства DSS из-за повышенного измельчения зерен и прочности границ зерен. Также были улучшены износостойкость и коррозионная стойкость, предел прочности и текучести, а также способность к горячей обработке9. Большее количество N может заменить дорогостоящее содержание Ni, что делает SDSS более рентабельным10.
Недавно SDSS был пластически деформирован при различных температурах (криогенной, холодной и горячей) для достижения превосходных механических характеристик6,7,8. Однако превосходная коррозионная стойкость SDSS, обусловленная наличием тонкой оксидной пленки на поверхности, зависит от многих факторов, например, от собственных гетерогенных микроструктур, возникающих из-за присутствия нескольких фаз с разными границами зерен, нежелательных выделений и различных реакций. различных аустенитных и ферритных фаз к деформациям7. Таким образом, исследование микрорегиональных свойств таких тонких пленок вплоть до уровней электронной структуры становится решающим для понимания коррозии SDSS и требует сложных экспериментальных методов. До сих пор поверхностно-чувствительные методы, такие как электронная оже-спектроскопия11 и рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия12,13,14,15, а также жесткая рентгеновская фотоэлектронно-эмиссионная микроскопия (HAX-PEEM)16, хотя и обеспечивают химические различия поверхностных слоев, обычно не дают результатов. разделить химическое состояние одного и того же элемента в пространственно разных положениях на наноуровне. Несколько недавних исследований связали локальное окисление хрома с наблюдаемым коррозионным поведением на аустенитной нержавеющей стали17, мартенситной стали18 и SDSS19,20. Однако эти исследования были сосредоточены главным образом на неоднородности Cr (например, степени окисления Cr3+) по коррозионной стойкости. Латеральная неоднородность степени окисления элемента может быть обусловлена различными соединениями элементов одинакового состава, например оксидами железа. Эти соединения наследуют уточненные размеры, подвергнутые термомеханической обработке, плотно прилегающие друг к другу, но различающиеся по составу и степени окисления16,21. Таким образом, обнаружение разрушения оксидной пленки и последующей питтинговой коррозии требует знания неоднородности поверхности на микроскопическом уровне. Несмотря на требования, количественная оценка, такая как латеральная неоднородность при окислении, особенно Fe, на нано-/атомном уровне, все еще отсутствует, и ее корреляция с коррозионной стойкостью остается неисследованной. Лишь недавно химическое состояние различных элементов, таких как Fe и Ca, было количественно описано на стальных образцах с помощью мягкой рентгеновской фотоэмиссионной электронной микроскопии (X-PEEM) на установках синхротронного излучения на наноуровне22. В сочетании с химически чувствительным методом рентгеновской абсорбционной спектроскопии (XAS) X-PEEM, включающий измерение XAS с высоким пространственным и спектральным разрешением, предоставляет химическую информацию об элементном составе и его химическом состоянии в пределах пространственного разрешения вплоть до нанометра. масштаб23. Такое спектромикроскопическое понимание мест инициирования приносит пользу местным химическим испытаниям и может свидетельствовать о химических изменениях в слоях Fe в пространстве, которые ранее не исследовались.