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国际化学工程杂志
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国际化学工程杂志/2020./文章

研究文章|开放获取

体积 2020. |文章的ID 6697227 | https://doi.org/10.1155/2020/6697227

Georgii S. Vasyliev, Oleg M. Kuzmenko， ＂超声振动条件下AISI 316不锈钢板的点蚀抑制"，国际化学工程杂志， 卷。2020.， 文章的ID6697227， 7 页面， 2020.． https://doi.org/10.1155/2020/6697227

超声振动条件下AISI 316不锈钢板的点蚀抑制

Georgii s Vasyliev1和 奥列格•m .冒着1

1乌克兰国立技术大学Igor Sikorsky基辅理工学院，37 Prospect Peremohy，乌克兰基辅03056

学术编辑器:Maciej Jaskulski
收到了 2020年10月22日
接受 2020年11月27日
发表 2020年12月04

摘要

板式换热器是普遍存在的设备类型，在含氯溶液中遭受点腐蚀。在超声振动条件下(27 kHz, 10 W)，在3.5% NaCl溶液中测试了AISI 316不锈钢的阳极行为。采用动电位扫描、恒电位技术和恒电流技术，并结合极化后的表面形貌进行研究。振动作用下，点蚀电位从0.26±0.02 V/SSCE增加到0.42±0.05 V/SSCE，再钝化电位从0.03±0.01 V/SSCE增加到0.18±0.04 V/SSCE。超声振动条件下，点蚀区外加电位下的阳极电流降低了两个数量级。提出了振动影响点蚀的可能机理，即消除振动表面的坑盖、振动引起的电解液进出坑内以及坑内活性金属的再钝化。

1.介绍

金属在含氯溶液中处于被动状态时的点蚀是一个主要问题[1- - - - - -4]．表面缺陷和夹杂物是坑启动最常见的位点[5，6]，在高流速下，耐点蚀性降低[7]．坑腔内的高腐蚀速率，非均匀点分布和高腐蚀速率使这种类型的腐蚀极其危险，特别是对于薄金属部件。这种设备的示例之一是板式热交换器。0.2-0.5mm的薄不锈钢板在一个包装中组装在一个包装中，并且在高速下在板之间通过。钢的蚀腐蚀可以缩短热交换器的操作时间，而是25年的计划期间。

点蚀通常经历几个连续的阶段，从点蚀开始到点蚀稳定增长。钝化膜的金属杂质、晶界和机械缺陷是形成凹坑的部位。最近的研究表明，MnS包裹体在坑的形成中起着重要作用。凹坑起始于MnS夹杂物与钢基体之间的边界，并随时间增长[8- - - - - -10]．在外加应力下，MnS夹杂物和敏化晶界的溶解加快[11]．研究发现，激光表面熔化可以显著降低硫化物夹杂物的尺寸，从而提高奥氏体钢的抗点蚀性能[12]．

为了减少不锈钢的点蚀，发明了不同的方法[13- - - - - -18]．最近的调查显示，超声（美国）空化的应用是抑制不锈钢蚀腐蚀的有效工具。王在3.5％NaCl溶液中研究了SUS304不锈钢的蚀抑制，并发现了在超声空化的影响下通过钢的电荷减少了三倍的电荷[19]．当研究了超声波对蚀发起，生长和回归的影响时，建立了恒定电流下较低电位，并且在恒定的电位下响应超声波[20.]．进一步的研究表明，美国强度以及振动器与钢试样之间的距离显著影响点蚀抑制的效率。当距离为US波长时，点蚀抑制效率与光强成正比;在恒定的强度下，距离的增加导致效率的降低[21.]．

超声抑制点蚀的机理是去除覆盖在核坑上的腐蚀产物。坑一旦形成，其进一步增长很大程度上取决于坑口盖的稳定性[22.- - - - - -24.]．超声空化产生塌陷气泡，从而产生高的塌陷功率。这促进了表面的清洁效果;因此，覆盖亚稳态凹坑的腐蚀产物从表面被去除，凹坑被钝化[20.，21.，25.，26.]．

而高强度超声不仅能去除部分损坏的钝化膜，还能去除正常的钝化膜，从而加快了腐蚀速率。高强度超声与腐蚀环境共同作用加速了钢的降解[27.- - - - - -29.]．超声空化使被动膜外层受损，腐蚀速率加快[30.]．Lavigne观察到在恒电位极化和超声条件下1小时形成的钝化膜与在无声条件下形成的钝化膜相比有更多的缺陷，这导致了样品的耐蚀性明显下降[31.]．Wan使用250w超声波，发现空化加速了腐蚀表面层中铁氧体的侵蚀，导致了空化作用下不锈钢表面腐蚀表面层的纳米力学性能的退化[32.]．发现蚀腐蚀减少金属的疲劳行为将疲劳寿命降低10-100倍[33.]．

超声减少不锈钢点蚀的实际应用受到喇叭周围短半径空化场的限制[34.]．本文研究了超声振动条件下AISI 316不锈钢的阳极行为，并提出了抑制点蚀的可能机制。

2。材料和方法

所有试验均采用市售的0.5 mm厚的AISI 316钢板。钢的成分为:C, 0.08质量%;Mn, 1.08;是的,0.28;年代,0.02;P, 0.04;Cr, 16.1;倪,10.8;莫2 15;铁的平衡。 The steel sheet was cut into plates 20 × 200 mm. The plate was insulated, leaving a working area of 1 cm2在盘子的一边。平板表面用有机溶剂脱脂，并在流动蒸馏水中洗涤。

腐蚀试验是在连接到恒电位器的三电极电池中进行的(图1) ［35.，36.]．工作电极与压电式超声换能器连接，并与超声发生器连接。在换能器和钢板之间放置一块3毫米厚的玻璃，以排除任何电气接触。超声发生器的输入功率为10 W，超声强度为0.35 W/cm2美国的频率是27khz。低频超声被广泛应用于工业换热设备的除垢。低强度超声用于防止材料因侵蚀或疲劳而产生的任何机械降解。超声压力比引起不锈钢疲劳断裂所需的应力低两个数量级[37.]．在所有实验中使用的溶液为3.5质量％NaCl，使用水浴在25℃下温度保持温度。用作对电极的铂片，并使用饱和氯化银电极（SSCE）作为参考。


图1
超声振动条件下腐蚀试验的实验室设置方案。

采用动电位极化技术测定了点蚀电位E坑和repassivation潜力E代表．扫描速率为0.2 mV/s，极化从OCP方向开始向阳极方向发展。凹坑形核导致电流急剧上升，当电流值达到100时μA / cm.2，极化反转。这E坑被确定为电位，目前开始增加。这E代表在反向(阴极)扫描中被确定为一个电流在反向扫描中变得比正向扫描低的电位。在超声试验中，钢板在极化过程中发生振动。试验重复5次，以确保数据收敛。本文用典型曲线给出了实验数据，并给出了数值E坑和E代表在五次测试中平均。

一次E坑确定后，采用恒电位极化技术比较有无超声应用的阳极电流密度。在扫描速率为0.2 mV/s的情况下，从OCP开始极化，持续到0.3 V/SSCE。0.3 V/SSCE时，停止扫描;电势保持恒定1 h，记录阳极电流。选择0.3 V/SSCE的保持电位，因为在动电位极化试验中，未振动样品已发生点蚀，而振动样品在此电位下仍处于被动状态。

在镀锌极化方法中，电势被确定为施加恒定电流时的函数。将样品置于溶液中并保持直至建立腐蚀电位。之后，恒定电流密度为30 μA / cm.2应用1800秒，并记录与时间的电位。每1800秒电流密度增加30秒μA / cm.2从60秒到90秒，最后是120秒μA / cm.2．在超声振动条件下也进行了相同的操作。恒流试验的电流密度值根据电位动态试验选择在非振动钢表面发生稳定点蚀的范围内。

经过恒电位极化和恒电流极化后，用光学显微镜观察了钢表面的工作区域，分析了凹坑的形成情况。采用双聚焦技术，分别对凹坑的表面和底部进行测量。焦距的差值等于凹坑的深度。

3.结果与讨论

3．1．Potentiodynamic极化

用动电位极化法测定点蚀电位E坑和repassivation潜力E代表．第一种是指钝化膜的击穿，而第二种是表征在此电位上形成的凹坑的总钝化。图中给出了典型的动电位曲线2,E坑和E代表在所有测试中获得的值呈现在表中1．


图2.
在3.5% NaCl溶液中对AISI 316不锈钢的电位动态扫描。1: nonvibrated;2:振实。扫描速率:0.2 mV/s。超声波参数:频率27khz，功率10w。
测试数量 nonvibrated. 振动
E坑, V / SSCE E代表, V / SSCE E坑, V / SSCE E代表, V / SSCE
1 0.26 0.03 0.41 0.15
2 0.26 0.04 0.45 0.19
3. 0.28 0.02 0.35 0.15
4 0.25 0.04 0.47 0.22
5 0.26 0.04 0.4 0.18
平均 0.26±0.02 0.03±0.01 0.42±0.05 0.18±0.04
表格1
点蚀电位E 坑和repassivation潜力E 代表AISI 316钢在3.5％NaCl中的振动和非振荡条件。

在没有超声振动的情况下，钢保持被动直到电位低于0.1 V/SSCE。在此电位之后，观察到几个电流波动，当电位达到0.2 V/SSCE时，电流稳定增长。当电流密度达到0.1 mA/cm时2，极化方向由阳极向阴极转变。然而，当点蚀开始时，电流继续增长。电流密度最大值为0.3 mA/cm2．在反向扫描中，当电位为0.16 V/SSCE时，电流下降，电流下降E代表在0.03±0.01 V/SSCE时达到。

振动样本观察到另一种情况。电流低于1 μA / cm.2观察到电位低于0.42±0.05 V/SSCE。在这个电位之后，电流开始迅速增长，即使扫描方向被逆转。最大电流达到0.35 V/SSCE。在这个电位之下有几个电流峰值，但后面的每个峰值都较低，显示出电流下降的趋势。最后，钢在0.18±0.04 V/SSCE下钝化。

比较点蚀电位E坑和repassivation潜力E代表没有超声波，清楚地看出，美国振动增加了E坑在0.16 V 0.26±0.02 V / SSCE至0.42±0.05 V / SSCE和E代表在0.15 V从0.03±0.01 V/SSCE到0.18±0.04 V/SSCE。超声振动是一种较强的点蚀抑制因子。

3.2。积极的极化

电位极化是用来比较振动钢和非振动钢的阳极行为的(图3.)．对于非抗纤维钢，电流出现在0.24V / SSCE上并缓慢升高以达到0.25mA / cm的值2．之后，电流急剧增加，达到5 mA/cm的值2并且一直保持在这个水平。


图3.
AISI 316不锈钢的电位极化在3.5％NaCl溶液中。1: nonvibrated;2:振实。应用潜力0.3 v / ssce。超声参数:频率27khz;10 W。

对于振动钢，当电势沿阳极方向扫描时，电流-时间关系呈缓慢上升趋势。电流稳定在0.03 mA/cm2当电势稳定时。由于钢的振动，观察到电流波动。对比振动和非振动试样的电流值，可以清楚地看到，超声振动使点蚀区阳极电流至少降低了100倍。

3．3．恒电流极化

在恒电流极化过程中，点蚀的最小恒电流电位E个人电脑当施加恒定电流时确定。在该测试中，测试了四种电流密度，范围为30至120 µA / cm.2申请每1800秒。

潜在的时间依赖关系如图所示4．电流密度为30µA / cm.2不会引起任何显著的变化吗E个人电脑振动和非振动试样之间的电势。在较高的电流密度下Epс非振动钢的数值为0.02±0.02 V/SSCE。对于振动钢，得到的正值显著增加。当外加电流密度为90时µA / cm.2,Epс为0.1±0.02 V/SSCE。


图4.
AISI 316不锈钢在3.5% NaCl溶液中的恒电流极化。1: nonvibrated;2:振实。应用电流密度30-120µA / cm.2．超声参数:频率27khz;10 W。

比较了动电位极化和恒电流极化的结果E坑在电位动态测试中获得的值要高得多，这意味着点蚀引发过程比电位扫描速率慢。然而,E代表电位动力学测试中的值接近值E个人电脑振动和非振动试样的恒流试验。

图中给出了振动和非振动钢表面的显微图5．对每个样品的所有表面进行了分析，并给出了典型的点蚀区域。数字5（a）显示在镀锌极化期间在非振荡钢上开发的坑。相应的电位时间依赖性如图所示4．与此相反，在相同条件下极化后的振动钢表面发现了一系列小得多的缺陷(图)5(b))。


图5.
超声振动(b, d)和无振动(a, c)条件下，AISI 316钢表面恒流(a, b)和恒电位(c, d)极化后。超声参数:频率27khz;10 W。

在肺部极化测试中获得了相同的结果。直径1毫米的坑和20颗 μ在0.3 V/SSCE下极化1 h后形成了m深(图5(c))。相反，振动后的钢表面没有溶解的迹象。结果与电流-时间的相关性吻合良好，阳极电流值越高，凹坑数越高，凹坑越深。

已知坑形态依赖于其生长条件[38.，39.]．没有坑盖的露天矿阳极电位较高[40]．在恒电位测试中，在+0.3 V/SSCE的施加电位下，600µ形成直径为m的凹坑，没有盖，不是盘形(图5(c))。在Galvanostatic试验中观察到类似的氨基形态，但坑直径较小-300 µm（图5(a))。在超声振动条件下，会形成几个直径为10-20的微小凹坑µm（图5(b)，它们是盘状的，这意味着超声振动去除坑口的花边盖。

3.4。蚀抑制机制

可以通过以下方案解释对不锈钢局部溶解的超声波振动影响的可能机制（图6)．根据现代的观点，金属在钝化状态下的点蚀发生在三个连续的阶段[22.]．第一个是坑形核(图)6(a))。并不是所有的有核凹坑都能存活;只有存活的凹坑进入第二阶段，亚稳态生长(图6(b))。在这一阶段，点蚀生长是受扩散控制的。继续生存依赖于在坑洞上维持一个作为扩散屏障的覆盖物。盖可由破坏的钝化膜的腐蚀产物形成。这个封面的分解导致了重新钝化。所有经过亚稳阶段的凹坑都进入了第三个阶段，稳定生长(图6(c))。这里，在深窄的凹坑内形成扩散屏障，其中不发生溶液搅拌，因此凹坑进入金属。


图6.
超声振动施用蚀抑制方案：（a）坑核;（b）亚稳定的蚀;（c）稳定的蚀增长;（d，e）振动的影响。

若干作品致力于坑覆盖去除对亚稳坑的回归的影响[23.]．在大量超声空化条件下的研究中，发现塌陷的气泡会破坏坑盖，从而增强坑盖的再钝化[20.，21.，25.，26.]．因此，当超声波应用于溶液中时，点蚀抑制的机理是坑盖的空化侵蚀。

在超声振动条件下，空化不是关键因素。已知超声波振动被广泛用于清洁任何沉积物的表面[41.- - - - - -43.]．超声波振动产生加速度104 g. When the particle is attached to the vibrating surface, it is influenced by the vibration force originating from the piezoelectric transmitter, adhesion force, and inertia force. When the vibration is directed towards the solution (Figure6（d）），惯性力与粘附力一致，颗粒保留在表面上。然而，当振动沿相反方向进行时，惯性力被引导抵抗粘附力。因此，一旦惯性力超过粘附力，就附着在表面上的任何颗粒脱掉（图6（e））。对于在蚀腐蚀过程中的不锈钢，这种颗粒是在形成的坑上的带状被动膜的花边覆盖物。此外，连续振动可能导致腐蚀盖的疲劳断裂。一旦除去亚稳地坑上的保护盖，就会钝化。惯性力取决于腐蚀产物的质量和振动加速度。在本研究中，凹坑的盖子的质量似乎足以在27 kHz的超声振动下除去，并且10W的功率将被除去。

超声振动影响下的凹坑再钝化的另一个重要部分与振动诱导钢表面电解液的运动有关。电解液含有恒定的氧浓度，当表面振动时，新的电解液进出凹坑，有利于凹坑内表面的快速再钝化。钝化膜断裂的任何缺陷都可以通过活性金属与氧饱和电解液的快速反应来恢复。此外，电解液在近表面的快速剧烈运动有助于去除亚稳态凹坑上的花边覆盖层。此外，当与电解液一起移动时，前电极层中分离的粒子作为一种额外的磨料，清除表面新形成的凹坑盖和位于表面的非金属夹杂物，这些夹杂物是已知的促进点蚀的物质。

4.结论

超声振动是降低AISI 316钢在含氯溶液中的点蚀的有效方法，是降低工业板式换热器不锈钢件点蚀的一种有前景的方法。此外，低振幅超声振动安全，不会引起设备疲劳断裂。

电位动力学偏振显示，在0.16±0.05V / ssce 0.15 V的0.42±0.05 V / SSCE，0.15 V的0.03±0.01 V / SSCE至0.18±0.04 v /SSCE在超声振动条件下。在凹坑区域中钢的电位偏振显示，当施加超声振动时，钢的钢筋显示出两个幅度电流降低。表面分析实际上没有显示出振动钢的溶解迹象，这证实了具有超声振动的有效点蚀抑制。

抑制点蚀的可能机制是消除腐蚀产物覆盖在坑上。当振动产生惯性力，超过附着力时，腐蚀产物就会脱离。振动引起的电解质运动进一步削弱了腐蚀覆盖附着力，促进了新鲜饱和氧电解质在凹坑内的渗透，导致活性金属的快速再钝化。

数据可用性

本研究中产生或分析的所有数据均包含在本文中。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

乌克兰教育科学部(批准号:2044和2017)资助。

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