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高强度耐蚀海工结构用钢是保证海洋资源开发、海洋国防建设的基础,在高湿、高氯离子的腐蚀环境下,夹杂物诱发的点蚀严重威胁着海洋工程结构的安全稳定运行。本研究采用以钛代铌的低成本合金化思路,并结合钙处理工艺调控钢中夹杂物的特征,提高含钛高强钢的可浇性及其耐点蚀性能,为低成本含钛高强耐腐蚀结构钢的开发与生产提供理论基础。主要研究结果如下: (1)研究了不同钛含量(w(Ti):0.032%~0.153%)对含钛高强钢中夹杂物的特征以及析出行为的影响,结果表明: 钙处理含钛高强钢的夹杂物主要为球形的含钛复合夹杂物(Al-Ti-Mg-Ca-(Mn)-O-(S))和方形的氮化钛。随着钛含量的增加,钢中夹杂物数量明显增加,平均尺寸稍微增加。夹杂物中的Ti能被钙还原,并逐渐向夹杂物表面扩散,从而促进了TiN的异质形核,增加了钢中氮化物的数量。 当Ti含量小于0.04%时,控制钢中的N含量小于0.0018%,能有效减小TiN析出尺寸;当Ti含量大于0.1%时,钛提高了钢中细小氧化物数量,能使异质形核TiN细小弥散分布,有助于降低大尺寸TiN夹杂的危害。 当w(Ti)小于0.045%时,钢中夹杂物为高熔点的Al2O3或MgAl2O4,易造成水口堵塞;当w(Ti)大于0.106%时,钢中夹杂物为液态的TiAl2O5,容易上浮去除。钙处理能使含钛钢中的高熔点夹杂物改性为低熔点铝酸钙,降低水口堵塞风险。 (2)在质量分数为3.5%的NaCl溶液中,研究了不同Al、Ti及Ca含量对Al-Ti脱氧Ca处理钢的抗腐蚀性能影响,结果发现: 夹杂物是点蚀的重要诱发源,硫化物夹杂诱发点蚀能力高于其他夹杂物。随着铝含量降低(从0.026%降至0.008%),钢中夹杂物数量增加、尺寸减小,有助于异质形核硫化物的细小弥散分布,降低了硫化物夹杂的点蚀敏感性,有利于提高钢的抗腐蚀性能。 随着钛含量增加(从0.106%增至0.153%),复合氧化物夹杂中的钛含量及氮化物数量增加,使钢的自腐蚀电位增加、自腐蚀电流减小,钢的抗腐蚀性能提高。 随着钙含量的增加(从0.0017%增至0.0039%),夹杂物中TiOx含量减少,CaO含量增加,导致夹杂物的腐蚀敏感性增加,降低了钢的抗腐蚀性能。 (3)通过腐蚀实验及理论计算,研究了不同类型夹杂物诱发点蚀机理及夹杂物尺寸、形貌、分布等特征对点蚀的影响,结果表明: 夹杂物的标准电极电位一般高于铁基体,当夹杂物与铁基体组成腐蚀电池时,铁基体会先发生溶解。但由于氧化物的导电性差,而硫化物的导电性好,因此硫化物处的腐蚀电流更大,腐蚀更严重。 氧化铝夹杂被钙改性程度越高,夹杂物的硫容量越高,提高了夹杂物的腐蚀活性,因此低钙处理钢中的夹杂物的腐蚀活性较低。 对于同一夹杂物而言,点蚀优先发生在曲率半径较小的区域,因此夹杂物的形貌越趋近于球形,其点蚀敏感性越低。 对于低腐蚀活性夹杂,其尺寸对点蚀影响不大;对于腐蚀活性夹杂,其尺寸越大,诱导点蚀及扩展越严重。此外,簇状分布的夹杂物比单独的夹杂物诱发点蚀几率更大,腐蚀更严重。