腐蚀科学与防护技术不锈钢在液固双相流中的冲蚀腐蚀行为何大雄姜晓霞李诗卓管恒荣（中国科学院金属研究所沈阳015）等不锈钢在不同流速水砂双相流中的冲蚀及NaCl（H）砂浆中的冲蚀腐蚀行为，用SEM观察了冲蚀（腐蚀）后材料表面形貌，并测定了样品表层硬度变化。结果表明双相不锈钢CD4MCu因其较强的加工硬化能力而具有优良的抗冲蚀腐蚀性能。

　　在工程实际中，泥浆型冲蚀引起金属部件破坏的实例很多，如舰船冷却器的入口、水力发电机组叶轮及其它过流部件、矿业中的煤浆输送管道、石化工业中泵、阀、管线的弯头、T形接头等[ 1 ，2].随着我国大型水电工程的实施，对材料在多相流中冲蚀腐蚀机制的研究尤显重要。材料冲蚀或磨蚀失效是多相流环境中影响工程部件寿命的关键因素之一，最常用的材料主要有碳钢和不锈钢。本文选取几种典型组织的不锈钢，如铁素体1Cr13、奥氏体L、马氏在不同流速的水砂双相流中的冲蚀及NaCl或NaCl溶液加Al砂中的冲蚀腐蚀行为。用SEM观察了冲蚀（腐蚀）后材料及Al粒子的形貌，并测定了样品表层显微硬度的变化，为深入研究不锈钢在多相流中的冲蚀（腐蚀）机理提供一些信息。

　　试验方法参考S .Zhou的旋转圆筒电极并增大辅助电极与工作电极的面积比（如图1所示）。该装置具有构造简单、冲蚀腐蚀形式单一和数据可比性强的特点。辅助电极为Pt ，参比电极为饱和甘汞电极，筒体采用高密聚乙烯，转速在485～0 rpm间连续可调。电极相应的线速度为1～8 .75 m s .

　　试样工作面积为Υ40×10 mm的外环面。其成分及显微硬度 .样品0Cr14Ni5Mo由铸态经0℃×1 h水淬处理得到马氏体。试验前各样品外环表面均用600砂纸磨光，蒸馏水、酒精清洗后干燥备用。

　　试验介质采用市售100目白刚玉砂（Al）及）溶液配成砂浆，其中固体粒子含量为30 .

　　试验后样品用蒸馏水、酒精清洗后，干燥并称重（天平感量0 .1mg），用SEM观察冲蚀（腐蚀）后表面形貌，并用显微硬度计测量磨痕的显微硬度（Hv）及其亚表层中硬度沿深度的分布。

　　不锈钢在液固双相流中的冲蚀腐蚀行为2试验结果砂粒特性及其试验前后的形貌砂粒的粒度及形状直接影响冲蚀试验结果，为此对白刚玉砂粒度分布进行筛分析，其粒度分布直方图，粒径主要分布在125～160μm（80～100目），棱角分明，属于切削力较强的碾碎型颗粒。两种线速度下样品的失重与冲蚀行程的关系见图3a材料的冲蚀失重随行程增加而趋于稳定，此时白刚玉砂粒形貌发生明显变化，尖锐棱角及长形易碎颗粒均退化而变小，尖角钝化，以8 .75 m s下最为明显（图3c）虽经过同样的行程，高速试验后的砂粒比低速（5 .27 m s ， 2520 rpm）圆滑。为了评价材料在相近的工作环境中的耐冲蚀性能，每试验20 km行程后必须更换新的砂浆。

　　不锈钢在水砂双相流中的冲蚀在水砂双相流中，几种不锈钢的冲蚀失重见图4 .材料的硬度是影响其耐冲蚀能力的主要因素。可见，硬度最低的L耐冲蚀性最差，而其他3种不锈钢、特别是1Cr13和CD4MCu的差别不大。

　　这充分说明力学因素是造成材料流失的主要原因。

　　较长时间和较高速度下， CD4MCu双相不锈钢的耐冲蚀性能优于其它三种不锈钢。SEM观察冲蚀表面，表明几种不锈钢的破坏主要是犁削，磨损形式无明显差异。

　　不锈钢在含NaCl（H）双相流中的冲蚀腐蚀的双相流中， CD程中平均冲蚀腐蚀率，低速（5 .27 m s）时分别为？h .除双相不锈钢CD4MCu外，其它3种材料耐冲蚀腐蚀能力排序与硬度相关，硬度最大的1Cr13钢表现最好。

　　双相流中的冲蚀腐蚀重量随运行时间的变化曲线。低速时，在水砂介质中表现最差的L在的砂浆中反而与CD4MCu接近，具有优良的耐冲蚀腐蚀性能。但高速下运行较长时间后，L失重增加快，而CD4MCu失重仍保持平稳。

　　腐蚀科学与防护技术12卷对比高速冲蚀腐蚀后各种样品表面的形貌（图6），1Cr13腐蚀严重，肉眼即可观察到腐蚀产物，SEM发现有腐蚀孔洞存在在0Cr14Ni5Mo和CD4MCu表面能观察到塑性变形唇、冲击坑和薄片之间的互相重叠，在突唇尾部，呈向上翘起的花边形状，显示出粒子冲击方向性。L与前三者不同，与无腐蚀介质的结果相似，未见到明显的冲蚀腐蚀，而在冲击表面有肉眼可见的点状凹坑，经仔细观察这种凹坑中沿冲击方向坑底存在材料变形后的的堆积（图7a）和坑沿上出现裂纹（图7b），表示在冲蚀过程中仍然是力学破坏而不是腐蚀因素起作用。

　　分析讨论4类不锈钢在三种介质的冲蚀中，低速轻腐蚀时L失重最大，环境腐蚀加重后它的失重相对变小，并接近于双相CD4MCu ，显示出优良的耐冲蚀腐蚀性能。1Cr13和0Cr14Ni5Mo的冲蚀失重规律相似，随介质腐蚀性增强、冲击速度增大，材料流失量增大，但低速轻腐蚀条件下，后者的冲蚀损失在4种不锈钢中最小。双相组织的CD4MCu无论速度大小和腐蚀轻重都显示出良好的抗冲蚀腐蚀性能。

　　合金的耐磨粒磨损能力，在冲蚀载荷不大时，与其硬度有关。前人的经验证明耐磨性与磨痕（经过磨损表面）的硬度几乎呈线性关系。轻腐蚀环境下力学因素在冲蚀中起主要作用时， 4类不锈钢的失重体现了这种规律。随环境腐蚀作用的加重，合金耐蚀性对冲蚀破坏的影响明显表现出来。众所周知，依靠碳化物等硬质点相提高合金硬度或耐磨性的方5期何大雄等：不锈钢在液固双相流中的冲蚀腐蚀行为法，必然会降低其耐蚀性，只有利用形变强化原则，在不明显影响合金耐蚀性情况下，通过冲蚀提高其表面硬度方能收到抗冲蚀效果。为证实这一观点，测量经8 .75 m s冲蚀腐蚀并运行80 km样品近表层的硬度分布。结果表明随深度增加，L的显微硬度几乎不变1Cr13和0Cr14Ni5Mo的变化不大，而CD4MCu的显微硬度明显增加，且γ相的硬度比α相提高得多，说明双相不锈钢的加工硬化能力得到了充分发挥，而亚稳γ相在此条件下的形变强化及其良好的耐蚀性是CD4MCu耐冲蚀腐蚀的主要原因。由于CD4MCu兼备耐腐蚀和耐磨损性能，故有效地抑制了腐蚀与磨损的交互作用，这一论点在介质中的稳态腐蚀磨损试验及制成的料浆泵叶轮实际运行结果已得到证实4结论在腐蚀较轻的液固双相流中， 4种不锈钢的耐冲蚀腐蚀性能与硬度相关，其顺序为CD4MCu 的双相流中，低速时L与CD4MCu的耐冲蚀腐蚀性能接近，而高速长时间后者最好4种不锈钢的耐在固液双相流中，αγ双相不锈钢CD4MCu由于其较好的耐蚀性和较强的加工硬化能力，从而表现出优良的耐冲蚀腐蚀性能。