极化电位对 UNS S32205 双相不锈钢在 NaCl 溶液中摩擦腐蚀行为的影响：关键机制与应用启示

在双相不锈钢（DSS）应用中，摩擦腐蚀问题影响其性能。研究人员针对 UNS S32205 双相不锈钢，探究阳极（AP）、阴极（CP）和开路（OCP）电位对其在 NaCl 溶液中摩擦腐蚀行为的影响。结果表明不同电位下摩擦系数和磨损量不同。这为优化材料应用提供依据。

　　在工业领域，双相不锈钢（DSS）被广泛应用于石油、天然气和纤维素等行业。然而，当它处于具有腐蚀性的环境中，尤其是在摩擦条件下，其表面性能会受到显著影响，发生摩擦腐蚀现象。这一现象是机械作用与腐蚀作用相互结合的结果，二者的相互作用能够改变金属表面的降解速率，进而影响材料的使用寿命和性能。

目前，已有不少研究关注摩擦学和电化学参数对摩擦腐蚀产生的磨损的影响，研究不同电位在同时遭受腐蚀和机械过程的系统中的作用也是该领域的研究热点之一。在这些研究中，通常会采用阴极极化（CP）或在蒸馏水中进行测试来抑制腐蚀，以此评估机械和电化学事件之间的协同作用。但这些方法存在一定的局限性，它们忽视了在这些环境中材料发生腐蚀或钝化的可能性，这使得对实际涉及现象的理解受到限制。而且，针对 DSS，包括 UNS S32205 这种材料，在不同阴极（CP）和阳极（AP）电位下的摩擦腐蚀评估研究较少。为了深入了解这些问题，来自国外的研究人员开展了相关研究，其研究成果发表在《Engineering Science and Technology, an International Journal》上。

研究人员使用的主要关键技术方法有：首先，对材料进行处理，将 UNS S32205 双相不锈钢加工成合适的试样，并对其进行清洗、打磨、抛光等预处理。然后，采用电化学测试，利用便携式恒电位仪在 0.5M NaCl 溶液中进行电化学研究，采用三电极系统，记录不同电位下的电流密度等数据。同时进行线性往复滑动实验，在摩擦计上进行磨损测试，同时用电化学工作站记录相关电化学信号。最后，运用扫描电子显微镜（SEM）和能量色散 X 射线光谱仪（EDS）对磨损轨迹的形貌和化学成分进行分析，使用拉曼光谱仪鉴定腐蚀产物。

研究结果

1. 动电位极化测试：对比有、无往复滑动时的动电位极化曲线，发现有滑动时，腐蚀电位（Ecorr）下降约 0.3V，腐蚀电流密度（icorr）增大 200 倍，这是由于滑动去除了钝化膜，使金属活化。根据极化曲线，选取了五个电位（三个阴极电位：?1.0V、?0.8V、?0.4V；两个阳极电位：0.05V、0.8V）和开路电位（OCP）进行后续研究。
2. 电位对摩擦系数的影响：在阴极电位和蒸馏水中，摩擦系数（COF）在滑动开始后的前 250s 显著增加，之后逐渐稳定，?1.0V、?0.8V 和蒸馏水条件下 COF 值较高且分散。阳极电位条件下，COF 在滑动开始后也增加，但能在几秒内达到稳态。这表明阳极电位可能形成了具有润滑性能的摩擦膜，降低了摩擦；而阴极电位和蒸馏水中因缺乏钝化膜，导致 COF 增加。
3. 滑动过程中和滑动后的腐蚀电流密度：随着施加电位从?1.00V 增加到 +0.8V，磨损过程中的电流密度增大。在阴极电位?1.0V 和?0.8V 时，电流密度为阴极电流，材料未发生电化学腐蚀，只有机械磨损；?0.4V 时，电流密度值在测试过程中增加，接近零的正电流值表明该电位不足以限制腐蚀溶解。阳极电位（0.05V 和 0.8V）在滑动开始时电流密度急剧增加，测试结束后电流密度下降，表明材料发生了再钝化。OCP 条件下，滑动开始时电位下降，随后在测试过程中持续下降，结束时电位快速上升，但因表面磨损无法回到初始值。
4. 磨损轨迹中的材料损失：与 OCP 和 AP 条件相比，CP 和蒸馏水条件下的总材料损失（VT）减少，说明 CP 条件有利于表面抗腐蚀保护，而 AP 条件下的腐蚀过程和新膜形成导致磨损量增加。但阴极电位下的磨损量并非单一值，?0.4V 时电位不足以保证材料抗摩擦腐蚀，其磨损量高于其他 CP 条件。蒸馏水测试的平均体积损失略高于?0.8V 和?1.0V 条件，说明蒸馏水测试对纯磨损的防护性较差。
5. 磨损轨迹表征：SEM 图像显示，所有条件下的主要磨损机制是磨损，磨损痕迹沿滑动方向分布。EDS 分析发现，磨损轨迹边缘和部分中央区域存在高氧含量，表明有氧化物存在，还检测到来自对磨体材料（Si3N4 球）的 Si 和电解液中的 Cl。拉曼光谱分析表明，所有条件下形成的化合物均为铁氧化物和氢氧化物的混合物，AP 和 OCP 条件下还存在 Cr（VI）氧化物。AP 条件下的摩擦膜可能更具润滑性，而 CP 和蒸馏水条件下形成的铁氧化物和氢氧化物种类更多，晶体结构更明显。

研究结论和讨论

该研究表明，AP 和 OCP 条件下摩擦系数较低（约 0.5），这是因为铁氧化物、氢氧化物和 Cr（VI）氧化物薄膜的不断去除和形成起到了润滑作用；而 CP 和蒸馏水条件下，由于滑动过程中缺乏钝化膜，导致 COF 值较高（约 0.7）。CP 条件（?1.0V 和?0.8V）下磨损较低，与表面腐蚀保护有关；AP 条件下则以腐蚀过程为主。在 OCP 实验中，机械作用导致钝化层去除，电位阴极位移至接近?0.4V，这解释了?0.4V 阴极极化在抗摩擦腐蚀方面不如其他 CP 条件的原因。此外，研究结果还突出了将纯机械磨损与任意阴极极化条件联系起来的复杂性，蒸馏水测试的摩擦学行为与?1.0V 和?0.8V 极化相似。

这项研究的重要意义在于，为在氯化物环境中选择合适的阴极保护电位以减少机械部件的磨损提供了理论依据，有助于优化双相不锈钢在相关工业领域的应用，提高材料的使用寿命和性能，对推动相关行业的发展具有重要的指导作用。