铝含量对X10CrAlSi18铁素体耐热不锈钢点蚀行为的影响机制研究

本研究针对X10CrAlSi18铁素体耐热不锈钢(FHSS)在氯化物环境中的点蚀问题，通过电化学测试结合多尺度表征技术（EIS、SEM-EDS、XPS等），揭示了铝含量（0-1.8 wt.%）对材料点蚀行为的非线性影响规律。研究发现0.9 wt.% Al含量样品具有最优抗点蚀性能，其表面形成的Cr-Al-Si-Fe复合钝化膜与Al2 O3 层协同提升耐蚀性，但过量铝会促进M23 C6 碳化物析出导致Cr贫化区，为超临界电站关键部件选材提供理论依据。

　　

在能源装备领域，超临界电站锅炉的结构连接件长期面临严峻挑战——高温氧化与氯离子腐蚀的双重威胁。特别是沿海生物质发电厂，燃烧产生的NaCl/KCl混合盐会附着在过热器管壁，引发局部点蚀甚至设备失效。X10CrAlSi18铁素体耐热不锈钢(FHSS)因其优异的高温性能成为理想候选材料，但关于其关键合金元素铝(Al)在氯化物环境中的腐蚀调控机制仍属空白。这就像给战士配备了铠甲却不知如何优化防御结构，严重制约了材料在苛刻环境中的应用。

吉林省教育厅科技项目支持的研究团队针对这一科学难题，通过系统调控Al含量（0、0.4、0.9、1.8 wt.%），在模拟生物质电站腐蚀环境（1.0 wt.% NaCl:KCl=1:1溶液）中展开攻关。研究采用动电位极化、电化学阻抗谱(EIS)揭示电化学行为规律，结合光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM-EDS)、透射电镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)进行多尺度解析，论文成果发表于《Materials Today Communications》。

关键技术方法包括：真空熔炼制备不同Al含量的80 kg级FHSS铸锭；850°C/30 min退火处理获得典型铁素体+M₂₃
C₆
碳化物组织；三电极体系测试动电位极化曲线与EIS谱；SEM-EDS分析蚀坑形貌与元素分布；XPS深度剖析钝化膜化学组成。

【Microstructure】
退火态FHSS呈现沿轧向延伸的铁素体晶粒，Al含量增加使晶粒尺寸从0Al的20-50 μm增至1.8Al的60-100 μm。M₂₃
C₆
碳化物数量随Al含量提升显著增多，1.8Al样品中碳化物尺寸达1-3 μm（0Al样品仅0.2-0.5 μm），TEM确认其为富Cr的M₂₃
C₆
型。

【Discussion】
电化学数据与显微分析表明：0.9Al FHSS具有最高点蚀电位（0.32 V vs. SCE）和最大阻抗模值。XPS证实其表面钝化膜为双层结构：外层以Fe₂
O₃
为主，内层富含Al₂
O₃
和Cr₂
O₃
。适量Al促进形成致密Al₂
O₃
-Cr₂
O₃
-SiO₂
复合膜，有效阻挡Cl^-
渗透；但过量Al（1.8 wt.%）导致碳化物周围形成宽达500 nm的Cr贫化区，成为点蚀优先形核位点。

【Conclusions】

1. Al含量通过改变钝化膜组成与基体组织双重途径影响FHSS耐蚀性，0.9 wt.%为最优添加量；
2. 钝化膜中Al₂
   O₃
   含量与致密度呈正相关，但过量Al引发M₂₃
   C₆
   碳化物粗化及Cr贫化；
3. 提出"Al含量-钝化膜特性-碳化物分布"协同作用模型，为耐蚀FHSS的成分设计提供量化依据。

该研究首次阐明Al在FHSS氯化物腐蚀中的"双刃剑"效应，突破传统认为Al仅通过形成Al₂
O₃
提升耐蚀性的认知，对开发新一代生物质电站用耐蚀材料具有重要指导价值。