武会宾老师团队《JMST》：耐候钢在高温-高湿-高氯环境下的防腐新机理

导读：在海洋大气环境中，含Ni先进耐候钢具有极高的应用前景，尤其是在Cl⁻浓度较高的情况下。精心的成分设计对于建立能够抵御Cl⁻入侵的锈层发挥着至关重要的作用，这也将使得免涂层耐候钢在海洋大气环境中的服役变得势在必行。本研究着重探讨了3Ni耐候钢稳态锈层内的腐蚀演变规律和耐腐蚀机制，特别关注了Mo在具有挑战性的海洋大气条件中的作用。研究结果表明，Mo含量从0.5wt.%增加到1.5wt.%，锈层保护性的增强与Mo含量的增加直接相关。这种转变在3Ni-Mo钢腐蚀速率降低的过程中表现最为明显，在腐蚀768小时后，腐蚀速率从最初的1.74 mm·a^-1降至稳定的1.31 mm·a^-1。Mo的引入加速了稳态持久锈层的形成，显著提高了锈层中α-FeOOH的比例。3Ni-Mo耐候钢的稳态锈层表现出显著的三层结构：外层主要由γ-FeOOH组成，中间层主要由Fe₂O₃/Fe₃O₄组成，内层主要由α-FeOOH和β-FeOOH组成。此外，在内层和基体之间形成了富含NiFe₂O₄和CuFe₂O₄的碱性界面。首先，Mo促进了MoO₂、MoO₃和钼酸盐在内层和碱性钢-锈界面上的沉积，以修复腐蚀坑和填充裂纹。其次，Mo诱导了NiFe₂O₄和CuFe₂O₄等化合物的生成，提高了中间锈层和钢-锈界面的电负性，有效防止了Cl⁻引起的界面酸化和点蚀。较高的Mo含量加速了这种碱性界面的形成，并促进了内层致密化。最重要的是，Mo通过形成氧化物为Fe的羟基氧化物创造了额外的成核位点，得以在内层形成纳米尺寸的α-FeOOH和β-FeOOH，从而增强了内层的稳定性和致密性。上述协同效应共同增强了3Ni-Mo先进耐候钢在腐蚀性环境中的抵抗性，最终增强了其抵御环境挑战的能力。所获得的研究结果为设计具有更强防腐性能的创新型含Ni先进耐候钢做出了重大贡献，并为工业化应用提供了宝贵的理论和数据支撑。相关研究成果以题“Unraveling the influence of Mo on the corrosion mechanism of Ni-advanced weathering steel in harsh marine atmospheric environments”发表在材料领域《Journal of Materials Science & Technology》上。

链接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.02.021

图 1. 所制备钢的SEM图和IPF图：(a) 3Ni-0.5Mo，(b) 3Ni-1Mo，(c) 3Ni-1.5Mo。

图 2. 3Ni-1.5Mo钢在不同腐蚀时间 (a) 96h、(a) 192h、(a) 384h和 (a) 768h后截面锈层不同位置的显微硬度和相分布。

图 3. 不同腐蚀时间的Fe 2p_3/2、Ni 2p_3/2、Mo 3d_3/2的XPS图谱：(a) 3Ni-0.5Mo，(b) 3Ni-1Mo，(c) 3Ni-1.5Mo。

图 4. (a) 锈层中EDS点的示意图和主要元素在不同位置的分布：(b) 3Ni-0.5Mo，(c) 3Ni-1Mo，(d) 3Ni-1.5Mo。

图 5. 元素掺杂后Fe的表面结构模型和 (b和c) 表面功函数计算结果。

图 6. 3Ni-1Mo钢腐蚀768小时后锈粒的TEM形貌：（a，e）锈粒的形貌，（b）区域A的HRTEM图像，（c）区域C的SADP，和（d）区域D的HRTEM照片

图 7. 3Ni-Mo耐候钢在模拟海洋大气环境中的耐蚀机理及锈层演变示意图。