8367、904L和316L奥氏体不锈钢的耐点蚀性能研究

张度宝，方可伟，罗坤杰，范国辉，李成涛，王 力，沈 剑

(1. 苏州热工研究院电站寿命管理技术中心，江苏苏州 215004；2. 生态环境部核与辐射安全中心，北京 100089)

0 前 言

8367和904L不锈钢均为超低C，高Ni、 Cr、Mo的超级奥氏体不锈钢，因二者具有良好的耐晶间腐蚀、点蚀以及应力腐蚀性能而被广泛应用于核电站重要厂用水系统管道、生活水管道、火电厂烟气脱硫装置、化工设备等服役环境较为苛刻的关键设备。316L奥氏体不锈钢具有较高的强度、韧性、较好的延展性和成型性等特点，与铁素体和马氏体不锈钢相比，316L奥氏体不锈钢具有更好的耐蚀性和抗氧化性，因此被广泛应用于各种设备和结构材料。

点蚀是8367、904L和316L奥氏体不锈钢失效的主要形式之一，严重时能导致设备穿孔，在实际生产中存在很大的安全隐患。以往，国内外学者主要研究了8367在超临界水中的应力腐蚀行为[1-3]和在烟气冷凝液中的耐蚀性[4]；904L不锈钢在不同浓度强酸、弱酸等环境下的腐蚀行为[5-10]以及316L不锈钢在氯离子环境和高温水环境下的腐蚀行为[11-14]。朱发文等[1]研究了8367在550，600，650 ℃超临界水中的腐蚀行为，指出温度是影响8367不锈钢在超临界水中腐蚀行为的主要因素。张艳等[9]指出904L不锈钢在5 g/L H2SO4溶液中的钝化膜主要由Cr2O3、CrOOH、Cr(OH)3等化合物构成，表现出良好的耐蚀性能。王长罡等[10]利用循环伏安曲线测试和SEM观察研究了高温下浓缩海水模拟溶液中904L不锈钢的点蚀行为发现，高温下在浓缩海水模拟溶液中904L不锈钢的点蚀电位显著降低。卢向雨等[13]研究了316L不锈钢TIG焊接接头在H2S溶液中的钝化性能，发现随着H2S溶液浓度的增加,316L不锈钢TIG焊接接头母材区和焊缝区的钝化性能逐渐降低,耐蚀性下降,且二者耐蚀性的差距逐渐加大。Liu等[14]研究了氯离子浓度对循环冷却水中316L不锈钢耐蚀性的影响，结果表明在循环冷却水中，随着Cl-浓度增加，316L不锈钢耐蚀性降低。而对8367、904L和316L 3种不同材质的不锈钢在模拟海水中的耐点蚀性能对比及在不同的温度海水中的耐点蚀特性，还未见报道。

本工作以8367、904L超级奥氏体不锈钢和316L不锈钢为研究对象，综合浸泡加速腐蚀试验、电化学试验、金相形貌观察等对3种不锈钢在模拟海水和不同海水温度下的耐点蚀性能进行研究，分析8367、904L和316L不锈钢在不同环境温度作用下腐蚀电化学的规律，以期对8367、904L和316L在不同环境下的工程应用、服役寿命评估及材料替代提供参考。

1 试 验

1.1 试 样

试验所用材料为8367、904L和316L奥氏体不锈钢，三者的化学成分如表1所示。三者的金相显微组织如图1所示。组织为典型的奥氏体，且存在一定量的孪晶组织。

表1 不锈钢试样的化学成分(质量分数) %

1.2 试验方法

临界点蚀温度测试采用恒电位法，施加700 mV(vs SCE)恒定电位，将溶液温度从5 ℃以(1.0±0.3)℃/min的速率升温，测试试样腐蚀电流密度随温度变化的关系。待电流密度达到100 μA/cm2并持续60 s时，对应的温度即为临界点蚀温度(CPT)。

参考GB/T 17899-1999“不锈钢点蚀电位测量方法”进行电化学试验，试验所用溶液为3.5%(质量分数，下同)NaCl溶液，样品抛光后进行试验，每个条件下共3个平行样品。电化学试验采用CS310电化学工作站，扫描速度20 mV/min。

参考GB/T 17897-1999“不锈钢三氯化铁点腐蚀试验方法”进行点蚀浸泡试验。试验时，共设定2组不同的实验温度(25 ℃和50 ℃)，试验时间为72 h，试验所用溶液为4%FeCl3溶液。每个条件下共3个平行样品，用800目砂纸打磨，试验结束后用去离子水和酒精清洗后吹干称重。

2 结果与讨论

2.1 8367、904L和316L奥氏体不锈钢的点蚀当量及临界点蚀温度

不锈钢的抗点腐蚀性能可以通过点蚀当量(PERN)衡量[15]，PERN计算公式如下：

PERN=wCr+3.3wMo+30.0wN

(1)

表2为计算得到的不同不锈钢的点蚀当量(PERN)，PERN值越大表明材料抗点蚀性能越好，由表2可知，PERN(8367)>PERN(904L)>PERN(316L)。

表2 不锈钢点蚀当量(PERN)

图2为8367、904L和316L奥氏体不锈钢在3.5% NaCl溶液中的CPT曲线，通过分析CPT曲线可知，8367、904L和316L在3.5% NaCl溶液中的临界点蚀温度分别为66，50，15 ℃，CPT(8367)>CPT(904L)>CPT(316L)，表明8367发生点蚀的临界温度最高，904L次之，316L在高于15 ℃海水中即可发生点蚀。

2.2 8367、904L和316L奥氏体不锈钢的电化学特性

图3为8367、904L和316L奥氏体不锈钢在3.5% NaCl溶液中的电化学极化曲线和阻抗谱，表3和表4分别为电化学极化曲线和阻抗谱拟合结果。分析图3a极化曲线和表3可知，3种不锈钢在3.5% NaCl溶液中的极化曲线特征相似，阴极极化部分均为氧去极化过程。8367的临界点蚀电位Eb(8367)高于904L临界点蚀电位Eb(904L)，高于316L临界点蚀电位Eb(316L)，表明，316L在海水环境下最易达到其点蚀电位而发生腐蚀，904L次之，8367最不易达到其点蚀电位。容抗弧半径的大小反映了腐蚀过程中的电荷转移电阻的高低，容抗弧越大表明电荷转移电阻越大，点蚀敏感性越低，反之则点蚀敏感性越高。分析图3b电化学阻抗谱和表4拟合结果发现，3种不锈钢材料所得阻抗谱均由容抗弧组成，且8367的容抗弧半径大于904L的容抗弧半径，大于316L的容抗弧半径，表明8367不锈钢的点蚀敏感性最低，316L不锈钢点蚀敏感性最高。这一结果与图3a极化曲线分析结果相吻合。

表3 8367、904L和316L在3.5%NaCl溶液中的电化学极化曲线拟合结果

表4 电化学阻抗谱拟合结果

图4a、4b、4c分别为8367、904L和316L不锈钢在不同温度海水中的动电位极化曲线, 图4d为3种不锈钢在不同温度海水中点蚀点位柱状图。由图4a可知在实验温度为25 ℃时，8367不锈钢试样点蚀电位为0.98 V。随着实验温度的升高，维钝电流密度无明显变化，点蚀电位小幅度降低。由图4b可知904L不锈钢在温度低于50 ℃时，随着实验温度的升高，自腐蚀电位Ecorr和腐蚀电流密度Jcorr的变化不明显，维钝电流密度接近，常温下Tafel曲线比较平滑，40 ℃时，当电位扫描至800 mV以上区间时，904L不锈钢的钝化膜稳定性下降，电流密度快速增大，点蚀发生；当实验温度高于50 ℃时，随着温度的升高，点蚀电位Rp明显下降，钝化区范围缩短，点蚀敏感性明显提高。由图4c可知当介质温度为25 ℃时，316L不锈钢点蚀点位为0.40 V，随着介质温度的升高，试样钝化区间逐渐缩短，点蚀电位逐渐减小，点蚀敏感性提高。由图4d可知，当介质温度为25～60 ℃时，8367不锈钢的临界点蚀电位随温度改变无明显变化，表明在该温度区间内8367不锈钢的钝化膜具有较高的稳定性，点蚀敏感性低。904L和316L不锈钢的临界点蚀电位随温度升高逐渐降低，点蚀敏感性提高，这是因为随着温度的升高，溶液中的溶解氧浓度下降，改变了溶解氧与钝化膜上的吸附氧之间的吸附平衡；同时温度升高加剧了钝化膜表面吸附氧的热运动，造成了吸附氧脱附，局部吸附氧的脱附导致电极表面氧还原速度下降，从而降低了钝化膜表面微观区域的pH值，进而影响了904L和316L不锈钢钝化膜的稳定性[16，17]。随着温度由30 ℃上升到50 ℃，Cl-活性增强，更容易与钝化膜中的金属离子结合形成可溶性的卤化物，诱发点蚀，导致904L和316L不锈钢钝化膜对基体的保护作用减弱。

结合8367、904L和316L不锈钢临界点蚀温度分析可知，8367不锈钢临界点蚀温度为66 ℃，在该温度以下，该材料均表现出良好的抗电腐蚀性能。904L不锈钢临界点蚀温度为50 ℃，在介质温度低于50 ℃时该材料具有较低的点蚀敏感性，在介质温度高于50 ℃时，点蚀电位明显下降，点蚀敏感性增大。316L不锈钢临界点蚀温度为15 ℃，因此，316L在介质温度为25～50 ℃的3.5%NaCl溶液中均具有较低的点蚀电位。

2.3 8367、904L和316L奥氏体不锈钢浸泡点蚀情况

表5为8367、904L和316L在不同介质温度下4%(质量分数)FeCl3溶液中浸泡72 h后的腐蚀速率，图5为浸泡后不锈钢试样在体式显微镜下的点蚀形貌。由表4、图5可知介质温度为20 ℃和50 ℃时，腐蚀速率排序为8367不锈钢<904L不锈钢<316L不锈钢，且随着介质温度的升高，8367不锈钢的腐蚀速率无明显变化，试样表面无明显腐蚀现象。介质温度为20 ℃时，904L不锈钢腐蚀速率较小，样品浸泡72 h后表面无明显腐蚀痕迹；介质温度升高至50 ℃，904L腐蚀速率大幅度提高，样品表面出现点蚀坑。介质温度为20 ℃和50 ℃时，316L不锈钢均具有较高的腐蚀速率，且随着温度升高腐蚀速率增大，样品表面点蚀数量增多，点蚀坑尺寸增大。

表5 8367、904L 和 316L在不同温度 FeCl3溶液中腐蚀速率

3 结 论

(1)8367、904L和316L不锈钢在3.5% NaCl溶液中的临界点蚀温度分别为66，50，15 ℃，CPT(8367)>CPT(904L)>CPT(316L)。

(2)8367临界点蚀电位>904L临界点蚀电位>316L临界点蚀电位，且随着介质温度的升高，8367的临界点蚀电位无明显变化，904L和316L不锈钢临界点蚀电位逐渐降低，点蚀敏感性提高。

(3)8367不锈钢在介质温度为20 ℃和50 ℃的4%FeCl3溶液中均具有较低的腐蚀速率，且随着温度升高，腐蚀速率无明显变化。904L 和 316L不锈钢在介质温度为20 ℃和50 ℃的4% FeCl3溶液中腐蚀速率均大于8367不锈钢腐蚀速率，且随着温度由20 ℃升高至50 ℃，腐蚀速率大幅度增大。在实验温度范围内，8367腐蚀速率无明显变化，其腐蚀性能优于904L和316L。