硼铈微合金化S31254超级奥氏体不锈钢的晶界工程优化及其耐腐蚀性能提升机制研究

针对S31254超级奥氏体不锈钢在热加工中易析出σ相、晶界工程(GBE)控制困难的问题，研究人员通过硼(B)和铈(Ce)微合金化结合冷轧-退火再结晶工艺，系统研究了析出相抑制、低ΣCSL晶界比例提升及钝化膜Cr2O3/MoO3富集机制。发现55%变形量+1100℃/5分钟退火可获得34%Σ3晶界，显著阻断随机高角晶界(RHAGBs)连通性，使S31254-50B-50Ce的耐蚀性提升。该研究为高Mo不锈钢的晶界设计与性能优化提供了新策略。

　　

在海洋化工、烟气脱硫等极端腐蚀环境中，S31254超级奥氏体不锈钢(SASS)因其高钼(Mo)含量展现出卓越的耐晶间腐蚀(IGC)性能，但同时也面临热加工中σ相析出导致的脆性开裂风险。传统合金化方法如添加氮(N)或铜(Cu)虽能改善性能，但难以兼顾组织调控与析出相抑制。更棘手的是，其再结晶温度(850-1050℃)恰与σ相析出敏感区重叠，使得通过晶界工程(GBE)提升性能面临巨大挑战。

山西太原不锈钢股份有限公司等机构的研究人员独辟蹊径，选择硼(B)和铈(Ce)作为"晶界卫士"，系统探究了这两种元素对S31254钢析出行为、再结晶组织及耐蚀性的影响。研究发现，B和Ce的加入不仅将σ相析出温度降低至1050℃以下，还延迟了析出动力学窗口。通过55%冷轧变形配合1100℃超短时(5分钟)退火，成功实现完全再结晶且无析出相，获得高达34%的Σ3特殊晶界比例，有效阻断了随机高角晶界(RHAGBs)的连通网络。更令人振奋的是，这种优化的晶界结构为Mo和铬(Cr)元素表面扩散提供了快速通道，使钝化膜中Cr₂O₃和MoO₃浓度显著提升，最终使S31254-50B-50Ce(含0.005%B和0.005%Ce)的耐蚀性产生质的飞跃。该成果发表于《Materials Today Communications》，为高合金不锈钢的组织性能调控提供了创新思路。

关键技术方法包括：1) 从山西太原不锈钢股份有限公司获取热轧板样品，经1220℃/2小时固溶处理；2) 实施35%和55%两种冷轧变形量；3) 在1050-1100℃区间进行梯度退火实验；4) 采用EBSD分析晶界特征分布；5) 通过电化学测试评估钝化膜特性。

【材料与热处理】
实验采用B、Ce微合金化的S31254钢，热轧板经固溶处理后分别进行35%和55%冷轧变形。EBSD分析显示，1050℃退火时析出相仅出现在再结晶区域，而1100℃处理则完全抑制析出，证实B/Ce对σ相的延迟作用。

【不同热处理下的显微组织】
55%变形+1100℃/5分钟退火获得完全再结晶组织，Σ3晶界比例达峰值。TEM证实此时晶界处Mo、Cr元素扩散活跃，形成连续分布的纳米级Cr₂O₃颗粒。

【结论】
研究首次阐明B/Ce微合金化通过推迟σ相析出窗口，使S31254钢能在更高温度(1100℃)实现短时再结晶。优化的GBE工艺使Σ3晶界比例提升至34%，较传统工艺提高28%，同时钝化膜中Cr₂O₃/MoO₃富集度增加2.3倍。该发现为开发兼具高强高耐蚀的超级不锈钢提供了理论依据与技术路径。

【讨论】
值得注意的是，1100℃超短时退火在抑制析出的同时避免了晶粒过度长大，这一"时间-温度-变形量"的精准调控得益于B/Ce对晶界迁移能的调节作用。后续研究可进一步探索B/Ce对Σ9、Σ27等高阶CSL晶界的形成机制影响，以及多尺度晶界设计对应力腐蚀开裂(SCC)抗性的提升效果。