摩擦堆焊提升低镍奥氏体不锈钢抗空蚀性能的机理研究与应用

针对海洋工程中AISI 201不锈钢因MnS夹杂和低耐蚀性导致的空蚀(CE)与点蚀问题，研究人员通过摩擦堆焊(FS)技术在不同主轴转速下制备涂层，发现FSed 201涂层的CE抗力较304基体提升1.3倍，归因于Σ3晶界密度降低、ε/α′-马氏体相变及MnS夹杂亚微米化。该研究为低成本环保型表面工程提供了新策略。

　　

海洋工程装备长期面临严苛的腐蚀环境挑战，其中空蚀(CE)和点蚀是导致水力部件失效的“隐形杀手”。奥氏体不锈钢(AISI 304)虽广泛应用却硬度不足，而高锰低镍的AISI 201虽硬度优异却因MnS夹杂和耐蚀性差被“束之高阁”。如何通过绿色加工技术解锁这类“问题材料”的潜能，成为表面工程领域的攻关焦点。

中国研究人员通过摩擦堆焊(FS)这一固态加工技术，在AISI 304基体上成功制备了FSed 201涂层。研究发现：主轴转速为1500 rpm时，涂层展现出最优性能——CE质量损失率较304基体降低23%，点蚀电位提升200 mV。这种“一石三鸟”的改性效果源于：① 剧烈塑性变形(SPD)将条状MnS粉碎至亚微米级，削弱微电偶腐蚀；② ε-马氏体相变吸收冲击能量，α′-马氏体阻碍裂纹扩展；③ Σ3共格晶界比例从52.1%降至38.7%，破坏腐蚀敏感通道。

关键技术包括：采用商业FSW-TS-M16设备进行涂层制备，通过SEM-EDS分析夹杂分布，SKPFM(扫描开尔文探针力显微镜)表征微区电位差，EBSD(电子背散射衍射)解析晶界特征，维氏硬度计测试力学性能。

【材料与方法】
使用直径13 mm的AISI 201焊棒在304基体上进行FS加工，主轴转速设置1200/1500 rpm。通过IPF(反极图)和相图分析发现，原始201棒材晶粒尺寸4.1 μm，含95.3%奥氏体，MnS沿轧制方向(RD)呈条状分布。

【微观结构与硬度】
FSed涂层发生显著晶粒细化，1500 rpm样品硬度达400 HV₁
，较原始201棒(345 HV₁
)提升16%。EBSD显示Σ3晶界比例降低，动态再结晶(dDRX)主导细晶形成。

【腐蚀与空蚀行为】
SKPFM证实亚微米级MnS使微区电位差从450 mV降至120 mV。CE测试中，1500 rpm涂层的累积质量损失(16.3 mg)显著低于304基体(21.5 mg)，归因于马氏体相变吸收能量和裂纹尖端α′相阻碍效应。

【结论】
该研究突破性地通过FS技术实现：① MnS夹杂微纳化抑制点蚀萌发；② 双马氏体相变协同提升CE抗力；③ 工艺-组织-性能关系建模。这种“以废治废”的策略，为海洋装备低成本防护提供了新思路，相关成果发表于《Materials Chemistry and Physics》。值得注意的是，编辑Kwok Chi Tat因利益冲突回避了审稿流程，确保学术公正性。研究获得澳门科技发展基金(0110/2023/AMJ)等资助，凸显跨境科研合作价值。