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上交JMST：氧化物@h-BN核殼結(jié)構(gòu)不銹鋼設(shè)計新方案，實現(xiàn)耐磨與耐蝕雙向突破

2025-08-19 15:04:58 作者：腐蝕與防護來源：腐蝕與防護分享至：

海洋領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)材料往往在優(yōu)異的力學性能基礎(chǔ)上，還需對耐腐蝕和耐磨損有更高的要求，然而，大多數(shù)具有高硬度或出色的自潤滑的不銹鋼盡管在力學性能上能夠滿足使用需求，但其在海洋環(huán)境中卻表現(xiàn)出較差的耐腐蝕性。近日，上海交通大學金屬基復合材料全國重點實驗室李鑄國教授團隊提出了一種通過原位氮合金化，形成h-BN潤滑相并包裹氧化物的方案，該方案能夠在材料內(nèi)形成一種新穎的“氧化物@h-BN”核殼結(jié)構(gòu)。實驗結(jié)果表明，N合金化后合金的耐腐蝕性能與316L不銹鋼幾乎相當，其磨損性能則超過了M2工具鋼，李鑄國教授團隊將這一研究成果近期在期刊《Journal of Materials Science & Technology》上發(fā)布。

研究背景

不銹鋼因其具有優(yōu)異的機械性能而被廣泛應(yīng)用于各個工程領(lǐng)域中。但是在諸如海洋、化工等惡劣環(huán)境，特別是當不銹鋼材料制品暴露在腐蝕和磨損的工況中時，其損傷程度明顯提高，從而有提前失效的風險，大大增加了維護的成本，甚至限制了其的進一步應(yīng)用。因此，開發(fā)在惡劣環(huán)境中仍然能夠兼具優(yōu)異耐腐蝕和耐磨性的高性能不銹鋼是近年來海洋等領(lǐng)域的熱門研究話題。

為了達到這兩種性能之間的最佳平衡，在過去的研究過程中，研究人員在表面改性的材料成分設(shè)計上付出了大量的努力，一些研究人員提出了通過遺傳設(shè)計方法開發(fā)耐腐蝕和耐磨涂層的策略，但該策略往往會伴隨著硬度的降低，最終材料的整體性能不盡如人意。因此，如何在保持優(yōu)異耐磨性的同時提高耐腐蝕性已成為一項重大挑戰(zhàn)。

核心內(nèi)容

在本研究中，作者團隊出了一種解決上述問題的策略，即用h-BN包裹有害的氧化物夾雜物，以解決氧化物引起的微電偶腐蝕效應(yīng)并引入自潤滑效應(yīng)。團隊首先通過熱力學計算評估了這種結(jié)構(gòu)的可行性，然后成功地實驗合成了這種“氧化物@h-BN”核殼結(jié)構(gòu)，并對該組織進行了全面表征，研究了其對腐蝕和磨損行為的影響。結(jié)果表明，該合金在摩擦腐蝕環(huán)境中表現(xiàn)出相當大的性能優(yōu)勢，這種設(shè)計范例為下一代具有卓越耐磨和耐腐蝕性的不銹鋼開發(fā)提供了新的思路。

預測的原始樣品和N合金樣品的平衡相分數(shù)隨溫度的變化

研究方法

在本研究中，團隊以含B不銹鋼粉作為原始材料，采用球磨法在不銹鋼粉中加入含有16.9wt.%CrN和83.1wt.%Cr2N的0.5 wt.%氮化物粉末，采用LaserliNe LDF-80 0光纖激光器進行激光熔覆，基材為42CrMo鋼。

使用配備能譜x射線光譜儀和拉曼光譜儀的掃描電子顯微鏡進行微觀結(jié)構(gòu)觀察。用電子探針微量分析儀分析了輕元素（B、C、O和N）的分布。利用電子背散射衍射進行了相分布分析，使用透射電子顯微鏡檢查詳細的微觀結(jié)構(gòu)。利用ImageJ軟件對氧化夾雜物進行了全面的統(tǒng)計分析。

電化學實驗在ZahNer電化學工作站進行，以Ag/AgCl電極為參比電極，鉑板為反電極，拋光樣品為工作電極，在3.5 wt.% NaCl溶液中，25°C下進行。采用納米壓痕儀獲得了各試樣的載荷-深度曲線。在摩擦磨損試驗機上，以Si3 N4球(4 mm)作為摩擦副進行干滑動磨損試驗。為了進一步研究樣品在3.5% wt.% NaCl溶液中的磨損和腐蝕行為的相互作用。在磨損過程中，連續(xù)滴注3.5 wt.% NaCl溶液，進行滑動磨損試驗。此外，使用摩擦磨損測試儀進行摩擦腐蝕試驗，該摩擦磨損測試儀配備由鉑板作為反電極和Ag/AgCl電極作為參比電極組成的三電極系統(tǒng)。

研究成果

① 硬度與耐磨性能顯著提升

N合金化樣品的顯微硬度提升至728 HV0.5，相比原始樣品提高了約11%。滑動摩擦測試結(jié)果顯示，N合金化樣品的摩擦系數(shù)與磨損率均顯著降低。h-BN層狀結(jié)構(gòu)在磨損過程中的潤滑作用，以及細化高密度氧化物顆粒對位錯運動的阻礙效應(yīng)，是硬度與耐磨性的主要提升來源。

(a)平均硬度；(b)納米壓痕載荷-深度曲線；(c)壓痕形態(tài)；(d)干滑動過程中的摩擦系數(shù)；(e)平均摩擦系數(shù)和磨損率；(f)原始試樣和N合金試樣的三維磨損形貌

(a, b)頂部和(c-f)橫截面角度的磨損形貌。氧化層與基體界面的元素線剖面圖:(g)原始樣品，(h) N合金樣品。(i)氧化層的拉曼光譜。(j)磨損機理圖

② 耐腐蝕性能增強

h-BN殼有效地將氧化物顆粒與周圍的基體隔離開來，防止了潛在微電偶的形成，這種封裝結(jié)構(gòu)增強了材料內(nèi)部的氧化物在腐蝕性環(huán)境中的穩(wěn)定性。即使氧化物因微電偶效應(yīng)被優(yōu)先溶解，h-BN殼也能夠繼續(xù)保護底層基體避免直接暴露在腐蝕介質(zhì)中。在電化學測試與浸泡實驗中也可以觀察到，N合金化樣品的點蝕電位提高超過0.3 V，同時其在FeCl3溶液中浸泡后的最大點蝕深度與腐蝕速率顯著低于原始樣品，EIS結(jié)果也進一步證明，N合金化樣品其鈍化膜在腐蝕介質(zhì)中的長期穩(wěn)定性要優(yōu)于原始樣品。

電化學極化曲線及浸泡腐蝕試驗

③ 優(yōu)異的抗磨損-抗腐蝕協(xié)同能力

在摩擦-腐蝕復合作用環(huán)境中，N合金化樣品表現(xiàn)出更低的摩擦系數(shù)和更快的鈍化膜再生能力。h-BN殼作為固體潤滑劑，在磨損過程有效降低摩擦系數(shù)。在腐蝕環(huán)境中，由于Cl−的存在，會增加了氧化層的脆性，形成初期腐蝕裂紋，但h-BN殼能夠?qū)ρ趸锲鸬揭欢ǖ姆庋b效果，減少該情況的出現(xiàn)，并在一定程度上隔絕腐蝕介質(zhì)與基體的直接接觸。

在3.5 wt.% NaCl溶液中25 ℃浸泡不同時間后的Nyquist和Bode圖及其等效電路模型中參數(shù)的值

④ 微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控機制

在凝固過程中，氧化物顆粒優(yōu)先從熔池中析出，當溫度降低到1530 K時，一些N和B原子反應(yīng)形成h-BN，h-BN隨后附著在氧化物顆粒上成核生長。這種吸附包裹結(jié)構(gòu)有效阻礙了氧化物顆粒的后續(xù)進一步生長，同時又增加了氧化物顆粒的數(shù)量密度，增強了其帶來的彌散強化的效果。