再钝化性能在钝性材料冲刷腐蚀临界流速现象中的关键作用

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冲刷腐蚀是材料表面与腐蚀性流体之间由于高速相对运动而引起的材料损伤现象,是力学冲刷和电化学腐蚀协同作用的结果。复杂的损伤机理在一定程度上制约了冲刷腐蚀问题的解决。钝性材料的冲刷腐蚀损伤普遍存在临界流速现象,只要流速超过某一临界值,材料的冲刷腐蚀损伤就会急剧增大。临界流速不仅是冲刷腐蚀损伤由轻到重的分水岭,更是损伤机制的转折点。因此,深入探究临界流速现象可以为解决复杂的冲刷腐蚀问题提供新的突破口。本文主要围绕再钝化性能在钝性材料冲刷腐蚀临界流速现象中的关键作用开展研究工作,通过澄清再钝化性能相关的临界流速现象和点蚀现象的相互影响规律,明确了临界流速用于评价材料的耐冲刷腐蚀性能具有普适性;搭建了性能可靠的单颗粒冲刷腐蚀实验装置,实现了冲刷腐蚀去钝化-再钝化单元损伤过程的实验模拟;通过揭示冲刷腐蚀去钝化和再钝化过程的关联性,成功预测了临界流速随流体参数的变化规律;最后探索了多次冲刷累积损伤对钝化/再钝化性能的影响,为最终建立临界流速量化预测模型奠定了基础。主要研究结果总结如下:冲刷腐蚀过程中的临界流速现象和点蚀现象之间存在相互影响:一方面,临界流速恰好是冲刷腐蚀工况下点蚀抗力由强变弱的分水岭,由此证明,无论损伤形式是均匀还是局部腐蚀,临界流速均可以被用来评价材料的耐冲刷腐蚀性能,具有普适性;另一方面,点蚀的发生使临界流速减小,同时会导致采用恒电位极化法测得的临界流速不准确。产生上述相互影响的根本原因是临界流速现象与点蚀现象均与再钝化性能有关。成功研制了单颗粒冲刷腐蚀实验装置,可以连续等时间间隔地发射单个固体颗粒冲刷样品表面,以模拟冲刷腐蚀的去钝化-再钝化单元损伤过程,实现了去钝化-再钝化过程电化学信号的监测,并通过对比不同钝性材料的再钝化时间,验证了该装置的可靠性,解决了冲刷腐蚀条件下再钝化过程的评价装置问题。在冲刷腐蚀工况下,去钝化过程和再钝化过程具有关联性,两者都与固体颗粒的动能有关。去钝化过程能够抑制再钝化过程,使再钝化时间变长,这与固体颗粒冲击造成的材料微观结构改变有关。利用去钝化和再钝化的关联性,成功预测并验证了临界流速随固体颗粒直径的增加或固体颗粒浓度的减小而增大。据此证明了再钝化在钝性材料冲刷腐蚀临界流速现象中扮演了至关重要的角色。冲刷累积损伤(反复冲击1000次)使纯Cr和纯Ni的钝化电流密度和再钝化时间增大,导致钝化和再钝化性能恶化。冲击坑去应力退火后的钝化性能得到显著提升,证明冲刷累积损伤对钝化和再钝化性能的不利影响是其产生的残余应力而非晶粒细化导致的。
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