رفتار الکتروشیمیایی فولاد ضد زنگ دوپلکس 2205 در محلول های شبیه سازی شده حاوی کلر بالا و CO2 اشباع در دماهای مختلف

از بازدید شما از Nature.com سپاسگزاریم.شما از یک نسخه مرورگر با پشتیبانی محدود CSS استفاده می کنید.برای بهترین تجربه، توصیه می کنیم از یک مرورگر به روز شده استفاده کنید (یا حالت سازگاری را در اینترنت اکسپلورر غیرفعال کنید).علاوه بر این، برای اطمینان از پشتیبانی مداوم، سایت را بدون استایل و جاوا اسکریپت نشان می‌دهیم.
چرخ فلکی از سه اسلاید را همزمان نمایش می دهد.از دکمه های قبلی و بعدی برای حرکت در سه اسلاید در یک زمان استفاده کنید یا از دکمه های لغزنده در پایان برای حرکت در سه اسلاید در یک زمان استفاده کنید.
فولاد ضد زنگ Duplex 2205 (DSS) به دلیل ساختار دوبلکس معمولی خود دارای مقاومت در برابر خوردگی خوبی است، اما محیط روغن و گاز حاوی CO2 به طور فزاینده ای منجر به درجات مختلفی از خوردگی، به ویژه حفره شدن می شود که به طور جدی ایمنی و قابلیت اطمینان روغن و طبیعی را تهدید می کند. کاربردهای گازتوسعه گازدر این کار، آزمایش غوطه وری و آزمایش الکتروشیمیایی در ترکیب با میکروسکوپ کانفوکال لیزری و طیف سنجی فوتوالکترون اشعه ایکس استفاده می شود.نتایج نشان داد که میانگین دمای بحرانی برای حفره 2205 DSS 66.9 درجه سانتیگراد بود.هنگامی که دما بالاتر از 66.9 درجه سانتیگراد است، پتانسیل شکست حفره، فاصله غیرفعال و پتانسیل خود خوردگی کاهش می یابد، چگالی جریان غیرفعال سازی اندازه افزایش می یابد و حساسیت حفره افزایش می یابد.با افزایش بیشتر دما، شعاع قوس خازنی 2205 DSS کاهش می‌یابد، مقاومت سطحی و مقاومت انتقال بار به تدریج کاهش می‌یابد و چگالی حامل‌های دهنده و گیرنده در لایه فیلم محصول با ویژگی‌های دوقطبی n + p نیز کاهش می‌یابد. افزایش می یابد، محتوای اکسیدهای کروم در لایه داخلی فیلم کاهش می یابد، محتوای اکسیدهای آهن در لایه بیرونی افزایش می یابد، انحلال لایه فیلم افزایش می یابد، پایداری کاهش می یابد، تعداد حفره ها و اندازه منافذ افزایش می یابد.
در شرایط توسعه سریع اقتصادی و اجتماعی و پیشرفت اجتماعی، تقاضا برای منابع نفت و گاز همچنان رو به رشد است و توسعه نفت و گاز را مجبور می کند به تدریج به سمت مناطق جنوب غربی و فراساحلی با شرایط و محیط سخت تر سوق پیدا کند، بنابراین شرایط بهره برداری لوله های پایین چاله روز به روز شدیدتر می شوند..زوال 1،2،3.در زمینه اکتشاف نفت و گاز، هنگامی که افزایش CO2 4 و میزان شوری و کلر 5، 6 در سیال تولید شده، لوله فولادی معمولی 7 کربن در معرض خوردگی جدی قرار می گیرد، حتی اگر بازدارنده های خوردگی به رشته لوله پمپ شوند. خوردگی را نمی توان به طور موثر سرکوب کرد فولاد دیگر نمی تواند الزامات عملیات طولانی مدت در محیط های CO28،9،10 خورنده خشن را برآورده کند.محققان به فولادهای ضد زنگ دوبلکس (DSS) با مقاومت در برابر خوردگی بهتر روی آوردند.2205 DSS، محتوای فریت و آستنیت در فولاد حدود 50٪ است، دارای خواص مکانیکی عالی و مقاومت در برابر خوردگی است، فیلم غیرفعال سطحی متراکم است، دارای مقاومت خوردگی یکنواخت عالی است، قیمت پایین تر از آلیاژهای مبتنی بر نیکل 11 است. 12. بنابراین، 2205 DSS معمولاً به عنوان مخزن تحت فشار در محیط خورنده، پوشش چاه نفت در محیط خورنده CO2، کولر آبی برای سیستم متراکم سازی در میادین نفتی دریایی و شیمیایی 13، 14، 15 استفاده می شود، اما 2205 DSS همچنین می تواند دارای سوراخ خورنده باشد. در خدمت.
در حال حاضر، مطالعات زیادی در مورد خوردگی CO2 و Cl-pitting 2205 DSS در داخل و خارج از کشور انجام شده است [16،17،18].ابراهیمی 19 دریافت که افزودن نمک دی کرومات پتاسیم به محلول NaCl می تواند حفره 2205 DSS را مهار کند و افزایش غلظت دی کرومات پتاسیم دمای بحرانی حفره 2205 DSS را افزایش می دهد.با این حال، پتانسیل حفره ای 2205 DSS به دلیل افزودن غلظت مشخصی از NaCl به دی کرومات پتاسیم افزایش می یابد و با افزایش غلظت NaCl کاهش می یابد.Han20 نشان می دهد که در دمای 30 تا 120 درجه سانتی گراد، ساختار فیلم غیرفعال کننده 2205 DSS مخلوطی از لایه داخلی Cr2O3، لایه بیرونی FeO و کروم غنی است.هنگامی که دما به 150 درجه سانتیگراد افزایش می یابد، فیلم غیرفعال حل می شود.ساختار داخلی به Cr2O3 و Cr(OH)3 تغییر می کند و لایه بیرونی به اکسید Fe(II,III) و هیدروکسید Fe(III) تغییر می کند.Peguet21 دریافت که حفره ثابت فولاد ضد زنگ S2205 در محلول NaCl معمولاً نه زیر دمای حفره‌ای بحرانی (CPT) بلکه در محدوده دمای تبدیل (TTI) رخ می‌دهد.Thiadi22 نتیجه گرفت که با افزایش غلظت NaCl، مقاومت به خوردگی S2205 DSS به طور قابل توجهی کاهش می یابد و هر چه پتانسیل اعمال شده منفی تر باشد، مقاومت به خوردگی مواد بدتر می شود.
در این مقاله از روبش پتانسیل دینامیکی، طیف‌سنجی امپدانس، پتانسیل ثابت، منحنی موت-شاتکی و میکروسکوپ الکترونی نوری برای بررسی اثر شوری بالا، غلظت کلر بالا و دما بر رفتار خوردگی 2205 DSS استفاده شد.و طیف‌سنجی فوتوالکترون، که مبنای نظری را برای عملکرد ایمن 2205 DSS در محیط‌های نفت و گاز حاوی CO2 فراهم می‌کند.
ماده آزمایشی از فولاد 2205 DSS (گرید فولاد 110ksi) انتخاب شده است و ترکیب شیمیایی اصلی در جدول 1 نشان داده شده است.
اندازه نمونه الکتروشیمیایی 10 میلی متر × 10 میلی متر × 5 میلی متر است، برای حذف روغن و اتانول مطلق با استون تمیز می شود و خشک می شود.پشت قطعه تست برای اتصال طول مناسب سیم مسی لحیم شده است.پس از جوشکاری، از یک مولتی متر (VC9801A) برای بررسی رسانایی الکتریکی قطعه آزمایش جوش داده شده استفاده کنید و سپس سطح غیر کار را با اپوکسی آب بندی کنید.از کاغذ سنباده آب سیلیکون کاربید 400#، 600#، 800#، 1200#، 2000# استفاده کنید تا سطح کار روی دستگاه پولیش را با ماده پولیش 0.25um تا زبری سطح Ra≤1.6um براقید و در نهایت تمیز کنید و در ترموستات قرار دهید. .
یک ایستگاه کاری الکتروشیمیایی Priston (P4000A) با یک سیستم سه الکترودی استفاده شد.یک الکترود پلاتین (Pt) با مساحت 1 سانتی‌متر مربع به عنوان الکترود کمکی، یک DSS 2205 (با مساحت 1 سانتی‌متر مربع) به عنوان الکترود کار استفاده شد و یک الکترود مرجع (Ag/AgCl) استفاده شده.محلول مدل مورد استفاده در آزمون مطابق با (جدول 2) تهیه شد.قبل از آزمایش، یک محلول N2 با خلوص بالا (99.99٪) به مدت 1 ساعت عبور داده شد و سپس CO2 به مدت 30 دقیقه برای اکسیژن‌زدایی محلول عبور داده شد.و CO2 در محلول همیشه در حالت اشباع بود.
ابتدا نمونه را در مخزن حاوی محلول آزمایش قرار داده و در حمام آب با دمای ثابت قرار دهید.دمای تنظیم اولیه 2 درجه سانتیگراد است و افزایش دما با سرعت 1 درجه سانتیگراد در دقیقه کنترل می شود و محدوده دما کنترل می شود.در 2-80 درجه سانتیگراددرجه سانتیگرادآزمایش با پتانسیل ثابت (6142/0- در مقابل Ag/AgCl) شروع می شود و منحنی آزمون یک منحنی It است.با توجه به استاندارد تست دمای حفره بحرانی، منحنی It را می توان شناخت.دمایی که در آن چگالی جریان به 100 میکروآمپر بر سانتی‌متر مربع می‌رسد، دمای حفره‌ای بحرانی نامیده می‌شود.میانگین دمای بحرانی برای حفره زنی 66.9 درجه سانتی گراد است.دمای آزمایش برای منحنی پلاریزاسیون و طیف امپدانس به ترتیب 30 درجه سانتیگراد، 45 درجه سانتیگراد، 60 درجه سانتیگراد و 75 درجه سانتیگراد انتخاب شد و آزمایش سه بار در شرایط نمونه مشابه برای کاهش انحرافات احتمالی تکرار شد.
نمونه فلزی در معرض محلول ابتدا در پتانسیل کاتدی (1.3- ولت) به مدت 5 دقیقه قبل از آزمایش منحنی پلاریزاسیون پتانسیودینامیکی برای حذف فیلم اکسیدی تشکیل شده روی سطح کار نمونه، و سپس در یک پتانسیل مدار باز، پلاریزه شد. 1 ساعت تا زمانی که ولتاژ خوردگی ایجاد نمی شود.نرخ اسکن منحنی پلاریزاسیون پتانسیل پویا روی 0.333mV/s و پتانسیل فاصله اسکن روی -0.3-1.2V در مقابل OCP تنظیم شد.برای اطمینان از صحت تست، همان شرایط آزمون 3 بار تکرار شد.
نرم افزار تست طیف امپدانس – Versa Studio.آزمایش ابتدا در یک پتانسیل مدار باز ثابت انجام شد، دامنه ولتاژ اغتشاش متناوب روی 10 میلی ولت و فرکانس اندازه گیری روی 10-2-105 هرتز تنظیم شد.داده های طیف پس از آزمایش
فرآیند آزمایش منحنی زمان فعلی: با توجه به نتایج منحنی پلاریزاسیون آندی، پتانسیل‌های غیرفعال‌سازی مختلف را انتخاب کنید، منحنی It را در پتانسیل ثابت اندازه‌گیری کنید، و منحنی لگاریتم دوگانه را برای محاسبه شیب منحنی برازش برای آنالیز فیلم تنظیم کنید.مکانیسم تشکیل فیلم غیرفعال
پس از تثبیت ولتاژ مدار باز، آزمایش منحنی موت-شاتکی را انجام دهید.محدوده اسکن پتانسیل آزمایش 1.0~-1.0V (vS.Ag/AgCl)، سرعت اسکن 20mV/s، فرکانس تست تنظیم روی 1000Hz، سیگنال تحریک 5mV.
از طیف‌سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس (XPS) (ESCALAB 250Xi، UK) برای آزمایش ترکیب و وضعیت شیمیایی لایه غیرفعال سطحی پس از تشکیل فیلم DSS 2205 استفاده کنید و پردازش داده‌های اندازه‌گیری را با استفاده از نرم‌افزار برتر انجام دهید.با پایگاه‌های اطلاعاتی طیف‌های اتمی و ادبیات مربوطه مقایسه شد و با استفاده از C1s (284.8 eV) کالیبره شد.مورفولوژی خوردگی و عمق حفره ها روی نمونه ها با استفاده از میکروسکوپ دیجیتال نوری فوق عمیق (Zeiss Smart Zoom5، آلمان) مشخص شد.
نمونه با پتانسیل یکسان (-0.6142 V مربوط Ag/AgCl) با روش پتانسیل ثابت آزمایش شد و منحنی جریان خوردگی با گذشت زمان ثبت شد.طبق استاندارد تست CPT، چگالی جریان پلاریزاسیون به تدریج با افزایش دما افزایش می یابد.1 دمای حفره‌ای بحرانی 2205 DSS را در یک محلول شبیه‌سازی شده حاوی 100 گرم در لیتر کلر و CO2 اشباع نشان می‌دهد.مشاهده می شود که در دمای پایین محلول، چگالی جریان عملاً با افزایش زمان آزمایش تغییر نمی کند.و هنگامی که دمای محلول به مقدار معینی افزایش می یابد، چگالی جریان به سرعت افزایش می یابد، که نشان می دهد سرعت انحلال فیلم غیرفعال با افزایش دمای محلول افزایش می یابد.هنگامی که دمای محلول جامد از 2 درجه سانتیگراد به حدود 67 درجه سانتیگراد افزایش می یابد، چگالی جریان پلاریزاسیون 2205DSS به 100μA/cm2 افزایش می یابد و متوسط ​​دمای حفره بحرانی 2205DSS 66.9 درجه سانتیگراد است که حدود 16.6 درجه سانتیگراد است. بالاتر از 2205DSS.استاندارد 3.5 وزنی% NaCl (0.7 V)26.دمای بحرانی حفره بستگی به پتانسیل اعمال شده در زمان اندازه گیری دارد: هرچه پتانسیل اعمال شده کمتر باشد، دمای حفره بحرانی اندازه گیری شده بالاتر است.
منحنی دمای بحرانی فولاد زنگ نزن دوبلکس 2205 در محلول شبیه سازی شده حاوی 100 گرم در لیتر کلر و CO2 اشباع.
روی انجیرشکل 2 نمودارهای امپدانس ac از 2205 DSS را در محلول های شبیه سازی شده حاوی 100 گرم در لیتر کلر و CO2 اشباع در دماهای مختلف نشان می دهد.مشاهده می شود که نمودار نایکوئیست 2205DSS در دماهای مختلف متشکل از کمان های مقاومت خازنی با فرکانس بالا، فرکانس متوسط ​​و فرکانس پایین است و قوس های مقاومت-خازن نیم دایره ای نیستند.شعاع قوس خازنی مقدار مقاومت فیلم غیرفعال و مقدار مقاومت انتقال بار را در طی واکنش الکترود منعکس می کند.به طور کلی پذیرفته شده است که هرچه شعاع قوس خازنی بزرگتر باشد، مقاومت به خوردگی بستر فلزی در محلول بهتر است.در دمای محلول 30 درجه سانتی گراد، شعاع قوس خازنی در نمودار نایکوئیست و زاویه فاز در نمودار مدول امپدانس |Z|Bode بالاترین و 2205 DSS خوردگی کمترین است.با افزایش دمای محلول، |Z|مدول امپدانس، شعاع قوس و مقاومت محلول کاهش می‌یابد، علاوه بر این، زاویه فاز نیز از 79 Ω به 58 Ω در ناحیه فرکانس متوسط ​​کاهش می‌یابد، که یک قله گسترده و یک لایه داخلی متراکم و یک لایه بیرونی پراکنده (متخلخل) اصلی هستند. ویژگی های یک فیلم منفعل ناهمگن28.بنابراین، با افزایش دما، فیلم غیرفعال تشکیل شده بر روی سطح زیرلایه فلزی حل می شود و ترک می خورد که باعث تضعیف خواص حفاظتی بستر و کاهش مقاومت به خوردگی مواد می شود.
با استفاده از نرم افزار ZSimDeme برای برازش داده های طیف امپدانس، مدار معادل نصب شده در شکل 330 نشان داده شده است، جایی که Rs مقاومت محلول شبیه سازی شده، Q1 ظرفیت فیلم، Rf مقاومت فیلم غیرفعال کننده تولید شده، Q2 دو برابر است. ظرفیت لایه، و Rct مقاومت انتقال بار است.از نتایج برازش در جدول.شکل 3 نشان می دهد که با افزایش دمای محلول شبیه سازی شده، مقدار n1 از 0.841 به 0.769 کاهش می یابد که نشان دهنده افزایش شکاف بین خازن های دو لایه و کاهش چگالی است.مقاومت انتقال بار Rct به تدریج از 2.958×1014 به 2.541×103 Ω cm2 کاهش یافت که نشان دهنده کاهش تدریجی مقاومت به خوردگی مواد بود.مقاومت محلول Rs از 2.953 به 2.469 Ω cm2 کاهش یافت، و ظرفیت Q2 فیلم غیرفعال از 5.430 10-4 به 1.147 10-3 Ω cm2 کاهش یافت، رسانایی محلول افزایش یافت، پایداری فیلم غیرفعال کاهش یافت. و محلول Cl-، SO42-، و غیره) در محیط افزایش می یابد، که تخریب فیلم غیر فعال کننده را تسریع می کند.این منجر به کاهش مقاومت فیلم Rf (از 4662 به 849 Ω cm2) و کاهش مقاومت قطبش Rp (Rct+Rf) تشکیل شده در سطح فولاد ضد زنگ دوبلکس می شود.
بنابراین، دمای محلول بر مقاومت به خوردگی DSS 2205 تأثیر می گذارد. در دمای پایین محلول، یک فرآیند واکنش بین کاتد و آند در حضور Fe2 + رخ می دهد که به انحلال و خوردگی سریع محلول کمک می کند. آند و همچنین غیرفعال شدن فیلم تشکیل شده روی سطح، چگالی کامل تر و بالاتر، انتقال بار مقاومتی بیشتر بین محلول ها، سرعت انحلال ماتریس فلزی را کند می کند و مقاومت به خوردگی بهتری از خود نشان می دهد.با افزایش دمای محلول، مقاومت در برابر انتقال بار Rct کاهش می‌یابد، سرعت واکنش بین یون‌ها در محلول تسریع می‌شود و سرعت انتشار یون‌های مهاجم تسریع می‌شود، به طوری که محصولات خوردگی اولیه مجدداً روی سطح تشکیل می‌شوند. زیرلایه از سطح بستر فلزی.یک فیلم غیرفعال کننده نازکتر، خواص حفاظتی زیرلایه را تضعیف می کند.
روی انجیرشکل 4 منحنی های قطبش پتانسیل دینامیکی 2205 DSS را در محلول های شبیه سازی شده حاوی 100 گرم در لیتر کلر و CO2 اشباع در دماهای مختلف نشان می دهد.از شکل می توان دریافت که وقتی پتانسیل در محدوده 4/0- تا 9/0 ولت باشد، منحنی های آند در دماهای مختلف دارای مناطق غیرفعال آشکار هستند و پتانسیل خود خوردگی حدود 7/0- تا 5/0- ولت است. چگالی جریان را تا 100 μA/cm233 افزایش می‌دهد، منحنی آند معمولاً پتانسیل حفره‌ای (Eb یا Etra) نامیده می‌شود.با افزایش دما، فاصله غیرفعال شدن کاهش می‌یابد، پتانسیل خود خوردگی کاهش می‌یابد، چگالی جریان خوردگی افزایش می‌یابد، و منحنی پلاریزاسیون به سمت راست تغییر می‌کند، که نشان می‌دهد فیلم تشکیل‌شده توسط DSS 2205 در محلول شبیه‌سازی شده فعال است. فعالیت.محتوای 100 گرم در لیتر کلر و CO2 اشباع، حساسیت به خوردگی حفره ای را افزایش می دهد، به راحتی توسط یون های تهاجمی آسیب می بیند، که منجر به افزایش خوردگی زمینه فلزی و کاهش مقاومت در برابر خوردگی می شود.
از جدول 4 مشاهده می شود که وقتی دما از 30 درجه سانتیگراد به 45 درجه سانتیگراد افزایش می یابد، پتانسیل انفعال بیش از حد مربوطه اندکی کاهش می یابد، اما چگالی جریان غیرفعال در اندازه مربوطه به طور قابل توجهی افزایش می یابد، که نشان می دهد که محافظت از فیلم غیرفعال کننده تحت این موارد شرایط با افزایش دما افزایش می یابد.هنگامی که دما به 60 درجه سانتیگراد می رسد، پتانسیل حفره شدن متناظر به طور قابل توجهی کاهش می یابد و این روند با افزایش دما آشکارتر می شود.لازم به ذکر است که در دمای 75 درجه سانتیگراد یک پیک جریان گذرا قابل توجه در شکل ظاهر می شود که نشان دهنده وجود خوردگی حفره ای ناپایدار در سطح نمونه است.
بنابراین، با افزایش دمای محلول، مقدار اکسیژن محلول در محلول کاهش می یابد، مقدار pH سطح فیلم کاهش می یابد و پایداری فیلم غیرفعال کاهش می یابد.علاوه بر این، هر چه دمای محلول بالاتر باشد، فعالیت یون های مهاجم در محلول بیشتر و میزان آسیب به لایه لایه سطحی زیرلایه بیشتر می شود.اکسیدهای تشکیل شده در لایه فیلم به راحتی می ریزند و با کاتیون های لایه فیلم واکنش می دهند و ترکیبات محلول تشکیل می دهند و احتمال ایجاد حفره را افزایش می دهند.از آنجایی که لایه فیلم بازسازی شده نسبتا شل است، اثر محافظتی روی بستر کم است، که باعث افزایش خوردگی بستر فلزی می شود.نتایج آزمایش پتانسیل قطبش دینامیکی با نتایج طیف‌سنجی امپدانس مطابقت دارد.
روی انجیرشکل 5a منحنی های آن را برای 2205 DSS در محلول مدل حاوی 100 گرم در لیتر کلر و CO2 اشباع نشان می دهد.چگالی جریان غیرفعال سازی به عنوان تابعی از زمان پس از پلاریزاسیون در دماهای مختلف به مدت 1 ساعت در پتانسیل -300 میلی ولت (نسبت به Ag / AgCl) به دست آمد.مشاهده می شود که روند چگالی جریان غیرفعال 2205 DSS در پتانسیل یکسان و دماهای مختلف اساساً یکسان است و روند به تدریج با گذشت زمان کاهش می یابد و به سمت صاف شدن گرایش پیدا می کند.با افزایش تدریجی دما، چگالی جریان غیرفعال 2205 DSS افزایش یافت که با نتایج پلاریزاسیون مطابقت داشت، که همچنین نشان داد که ویژگی‌های محافظ لایه فیلم بر روی بستر فلزی با افزایش دمای محلول کاهش می‌یابد.
منحنی های پلاریزاسیون پتانسیواستاتیک 2205 DSS در همان پتانسیل تشکیل فیلم و دماهای مختلف.(الف) چگالی جریان در مقابل زمان، (ب) لگاریتم رشد فیلم غیرفعال.
همانطور که در (1)34 نشان داده شده است، رابطه بین چگالی جریان غیرفعال و زمان در دماهای مختلف برای پتانسیل تشکیل فیلم یکسان را بررسی کنید:
جایی که i چگالی جریان غیرفعال در پتانسیل تشکیل فیلم، A/cm2 است.A مساحت الکترود کار، cm2 است.K شیب منحنی متناسب با آن است.زمان t، s
روی انجیر5b منحنی های logI و logt را برای 2205 DSS در دماهای مختلف در پتانسیل تشکیل فیلم یکسان نشان می دهد.با توجه به داده های ادبیات، 35 هنگامی که خط شیب K = -1، لایه لایه تشکیل شده بر روی سطح زیرلایه متراکم تر است و مقاومت در برابر خوردگی بهتری نسبت به بستر فلزی دارد.و هنگامی که شیب خط مستقیم K = -0.5 است، لایه فیلم تشکیل شده روی سطح شل است، حاوی سوراخ های کوچک زیادی است و مقاومت خوردگی ضعیفی نسبت به بستر فلزی دارد.مشاهده می شود که در دمای 30 درجه سانتی گراد، 45 درجه سانتی گراد، 60 درجه سانتی گراد و 75 درجه سانتی گراد، ساختار لایه فیلم مطابق با شیب خطی انتخاب شده از منافذ متراکم به منافذ شل تغییر می کند.با توجه به مدل نقص نقطه ای (PDM)36،37 می توان مشاهده کرد که پتانسیل اعمال شده در طول آزمایش بر چگالی جریان تأثیر نمی گذارد، که نشان می دهد دما به طور مستقیم بر اندازه گیری چگالی جریان آند در طول آزمایش تأثیر می گذارد، بنابراین جریان با افزایش دما افزایش می یابد.محلول، و چگالی 2205 DSS افزایش می یابد و مقاومت به خوردگی کاهش می یابد.
خواص نیمه هادی لایه لایه نازک تشکیل شده بر روی DSS بر مقاومت خوردگی آن تأثیر می گذارد38، نوع نیمه هادی و چگالی حامل لایه لایه نازک بر ترک خوردگی و سوراخ شدن لایه لایه نازک DSS39,40 تأثیر می گذارد که در آن ظرفیت C و E لایه لایه نازک بالقوه رابطه MS را برآورده می کند، بار فضایی نیمه هادی به روش زیر محاسبه می شود:
در فرمول، ε گذردهی فیلم غیرفعال در دمای اتاق، برابر با 1230 است، ε0 گذردهی خلاء، برابر با 8.85 × 10-14 F/cm، E بار ثانویه است (1.602 × 10-19 C) ;ND چگالی دهنده های نیمه هادی نوع n است، cm-3، NA چگالی پذیرنده نیمه هادی نوع p، cm-3، EFB پتانسیل باند مسطح است، V، K ثابت بولتزمن است، 1.38 × 10-3. .23 J/K، T – دما، K.
شیب و خط برازش را می توان با برازش یک جداسازی خطی به منحنی MS اندازه گیری شده، غلظت اعمال شده (ND)، غلظت پذیرفته شده (NA) و پتانسیل باند مسطح (Efb)42 محاسبه کرد.
روی انجیرشکل 6 منحنی موت-شاتکی لایه سطحی یک فیلم 2205 DSS را نشان می دهد که در یک محلول شبیه سازی شده حاوی 100 گرم در لیتر کلر و با پتانسیل (mV 300-) به مدت 1 ساعت با CO2 اشباع شده است.مشاهده می شود که تمام لایه های لایه نازک تشکیل شده در دماهای مختلف دارای ویژگی های نیمه هادی های دوقطبی نوع n + p هستند.نیمه هادی نوع n دارای گزینش پذیری آنیون محلول است که می تواند از انتشار کاتیون های فولاد ضد زنگ به داخل محلول از طریق فیلم غیرفعال جلوگیری کند، در حالی که نیمه هادی نوع p دارای انتخاب کاتیونی است که می تواند از عبور آنیون های خورنده در محلول جلوگیری کند. بیرون بر روی سطح بستر 26 .همچنین می توان مشاهده کرد که بین دو منحنی برازش یک انتقال صاف وجود دارد، فیلم در حالت نوار مسطح است و از پتانسیل نوار صاف Efb می توان برای تعیین موقعیت باند انرژی یک نیمه هادی و ارزیابی الکتروشیمیایی آن استفاده کرد. ثبات 43..
با توجه به نتایج برازش منحنی MC نشان داده شده در جدول 5، غلظت خروجی (ND) و غلظت دریافتی (NA) و پتانسیل باند مسطح Efb 44 با همان مرتبه بزرگی محاسبه شد.چگالی جریان حامل اعمال شده عمدتاً عیوب نقطه ای در لایه بار فضایی و پتانسیل حفره شدن فیلم غیرفعال کننده را مشخص می کند.هر چه غلظت حامل اعمال شده بیشتر باشد، لایه لایه راحت تر می شکند و احتمال خوردگی زیرلایه بیشتر می شود.علاوه بر این، با افزایش تدریجی دمای محلول، غلظت امیتر ND در لایه فیلم از 5.273×1020 cm-3 به 1.772×1022 cm-3 و غلظت میزبان NA از 4.972×1021 به 4.592 افزایش یافت. × 1023.سانتی متر - همانطور که در شکل نشان داده شده است.3، پتانسیل باند مسطح از 0.021 V به 0.753 V افزایش می یابد، تعداد حامل ها در محلول افزایش می یابد، واکنش بین یون ها در محلول تشدید می شود و پایداری لایه فیلم کاهش می یابد.با افزایش دمای محلول، هرچه مقدار مطلق شیب خط تقریبی کوچکتر باشد، چگالی حامل ها در محلول بیشتر می شود، سرعت انتشار بین یون ها بیشتر می شود و تعداد جای خالی یون ها در محلول بیشتر می شود. سطح لایه فیلم، در نتیجه باعث کاهش سطح فلز، پایداری و مقاومت در برابر خوردگی 46،47 می شود.
ترکیب شیمیایی فیلم بر پایداری کاتیون های فلزی و عملکرد نیمه هادی ها تأثیر بسزایی دارد و تغییر دما تأثیر مهمی در تشکیل فیلم فولاد ضد زنگ دارد.روی انجیرشکل 7 طیف کامل XPS لایه سطحی یک فیلم 2205 DSS را در یک محلول شبیه سازی شده حاوی 100 گرم در لیتر کلر و CO2 اشباع نشان می دهد.عناصر اصلی در فیلم‌هایی که توسط تراشه‌ها در دماهای مختلف تشکیل می‌شوند، اساساً یکسان هستند و اجزای اصلی لایه‌ها Fe، Cr، Ni، Mo، O، N و C هستند. بنابراین اجزای اصلی لایه فیلم Fe هستند. ، کروم، نیکل، مو، O، N و C. ظرف حاوی اکسیدهای کروم، اکسیدهای آهن و هیدروکسیدها و مقدار کمی اکسیدهای نیکل و مو.
طیف کامل XPS 2205 DSS در دماهای مختلف گرفته شده است.(الف) 30 درجه سانتی گراد، (ب) 45 درجه سانتی گراد، (ج) 60 درجه سانتی گراد، (د) 75 درجه سانتی گراد.
ترکیب اصلی فیلم به خواص ترمودینامیکی ترکیبات موجود در فیلم غیر فعال کننده مربوط می شود.با توجه به انرژی اتصال عناصر اصلی در لایه فیلم، در جدول آورده شده است.در شکل 6، می توان مشاهده کرد که پیک های طیفی مشخصه Cr2p3/2 به فلز Cr0 (0.2 ± 573.7 eV)، Cr2O3 (0.3 ± 574.5 eV) و Cr(OH)3 (0.1 ± 575.4 eV) تقسیم می شوند. در شکل 8a نشان داده شده است که در آن اکسید تشکیل شده توسط عنصر کروم جزء اصلی فیلم است که نقش مهمی در مقاومت به خوردگی فیلم و عملکرد الکتروشیمیایی آن ایفا می کند.شدت پیک نسبی Cr2O3 در لایه فیلم بیشتر از Cr(OH)3 است.با این حال، با افزایش دمای محلول جامد، پیک نسبی Cr2O3 به تدریج ضعیف می شود، در حالی که پیک نسبی Cr(OH)3 به تدریج افزایش می یابد، که نشان دهنده تبدیل آشکار Cr3+ اصلی در لایه فیلم از Cr2O3 به Cr(OH) است. 3، و دمای محلول افزایش می یابد.
انرژی اتصال پیک‌های طیف مشخصه Fe2p3/2 عمدتاً شامل چهار قله حالت فلزی Fe0 (0.2 ± 706.4 eV)، Fe3O4 (0.2 ± 707.5 eV)، FeO (0.1 ± 709.5 eV) و FeOOH (71) است. eV) ± 0.3 eV)، همانطور که در شکل 8b نشان داده شده است، Fe عمدتاً در فیلم تشکیل شده به شکل Fe2+ و Fe3+ وجود دارد.Fe2+ ​​از FeO بر Fe(II) در پیک های انرژی اتصال پایین تر غالب است، در حالی که ترکیبات Fe3O4 و Fe(III) FeOOH در پیک های انرژی اتصال بالاتر 48،49 غالب هستند.شدت نسبی پیک Fe3+ بیشتر از Fe2+ است، اما شدت نسبی پیک Fe3+ با افزایش دمای محلول کاهش می‌یابد و شدت نسبی پیک Fe2+ افزایش می‌یابد که نشان‌دهنده تغییر ماده اصلی در لایه فیلم از Fe3+ به Fe2+ برای افزایش دمای محلول.
پیک‌های طیفی مشخصه Mo3d5/2 عمدتاً از دو موقعیت قله Mo3d5/2 و Mo3d3/243.50 تشکیل شده‌اند، در حالی که Mo3d5/2 شامل Mo فلزی (0.3 ± 227.5 eV)، Mo4 + (228.9 ± 0.2 eV) و Mo6 + (229 ± 4). در حالی که Mo3d3/2 همچنین حاوی Mo فلزی (230.4 ± 0.1 eV)، Mo4+ (231.5 ± 0.2 eV) و Mo6+ (232، 8 ± 0.1 eV) همانطور که در شکل 8c نشان داده شده است، بنابراین عناصر Mo در بیش از سه ظرفیت وجود دارند. وضعیت لایه فیلمانرژی های اتصال پیک های طیفی مشخصه Ni2p3/2 شامل Ni0 (0.2 ± 852.4 eV) و NiO (0.2 ± 854.1 eV)، همانطور که در شکل 8g نشان داده شده است.قله مشخصه N1s از N (399.6 ± 0.3 eV) تشکیل شده است، همانطور که در شکل 8d نشان داده شده است.پیک های مشخصه O1s عبارتند از O2- (0.2 ± 529.7 eV)، OH- (531.2 ± 0.2 eV) و H2O (531.8 ± 0.3 eV)، همانطور که در شکل نشان داده شده است. اجزای اصلی لایه فیلم (OH- و O2 -) هستند. که عمدتاً برای اکسیداسیون یا اکسیداسیون هیدروژنی کروم و آهن در لایه فیلم استفاده می شوند.شدت پیک نسبی OH- با افزایش دما از 30 درجه سانتی گراد به 75 درجه سانتی گراد به طور قابل توجهی افزایش یافت.بنابراین، با افزایش دما، ترکیب اصلی مواد O2- در لایه فیلم از O2- به OH- و O2- تغییر می کند.
روی انجیرشکل 9 مورفولوژی سطح میکروسکوپی نمونه 2205 DSS را پس از پلاریزاسیون پتانسیل دینامیکی در محلول مدل حاوی 100 گرم در لیتر کلر و CO2 اشباع نشان می دهد.مشاهده می شود که بر روی سطح نمونه هایی که در دماهای مختلف قطبی شده اند، گودال های خوردگی با درجات مختلف وجود دارد که این امر در محلول یون های مهاجم رخ می دهد و با افزایش دمای محلول، خوردگی جدی تری روی محلول ایجاد می شود. سطح نمونه هالایه.تعداد گودال های حفره ای در واحد سطح و عمق مراکز خوردگی افزایش می یابد.
منحنی های خوردگی 2205 DSS در محلول های مدل حاوی 100 گرم در لیتر کلر و CO2 اشباع در دماهای مختلف (الف) 30 درجه سانتی گراد، (ب) 45 درجه سانتی گراد، (ج) 60 درجه سانتی گراد، (د) 75 درجه سانتی گراد c.
بنابراین افزایش دما باعث افزایش فعالیت هر یک از اجزای DSS و همچنین افزایش فعالیت یون های تهاجمی در محیط تهاجمی می شود و درجات خاصی به سطح نمونه آسیب وارد می کند که باعث افزایش فعالیت حفره ای می شود.، و تشکیل گودال های خوردگی افزایش می یابد.سرعت تشکیل محصول افزایش می یابد و مقاومت در برابر خوردگی مواد کاهش می یابد 51،52،53،54،55.
روی انجیرشکل 10 مورفولوژی و عمق حفره‌ای یک نمونه 2205 DSS را که با میکروسکوپ دیجیتال نوری میدان بسیار بالا پلاریزه شده است نشان می‌دهد.از انجیرشکل 10a نشان می‌دهد که حفره‌های خوردگی کوچک‌تری نیز در اطراف گودال‌های بزرگ ظاهر می‌شوند، که نشان می‌دهد که فیلم غیرفعال‌کننده روی سطح نمونه تا حدی با تشکیل گودال‌های خوردگی در یک چگالی جریان معین از بین رفته است و حداکثر عمق حفره 12.9 میکرومتر بود.همانطور که در شکل 10b نشان داده شده است.
DSS مقاومت به خوردگی بهتری نشان می دهد، دلیل اصلی این است که فیلم تشکیل شده روی سطح فولاد به خوبی در محلول محافظت می شود، Mott-Schottky، با توجه به نتایج XPS فوق و ادبیات مرتبط 13،56،57،58، فیلم عمدتاً از طریق زیر می گذرد این فرآیند اکسیداسیون آهن و کروم است.
Fe2+ ​​به آسانی در رابط 53 بین فیلم و محلول حل و رسوب می کند و فرآیند واکنش کاتدی به شرح زیر است:
در حالت خورده، یک لایه ساختاری دو لایه تشکیل می شود که عمدتا از یک لایه داخلی اکسید آهن و کروم و یک لایه هیدروکسید بیرونی تشکیل شده است و یون ها معمولاً در منافذ فیلم رشد می کنند.ترکیب شیمیایی فیلم غیرفعال کننده به خواص نیمه هادی آن مربوط می شود، همانطور که توسط منحنی موت-شاتکی مشهود است، که نشان می دهد ترکیب فیلم غیرفعال کننده از نوع n+p است و دارای ویژگی های دوقطبی است.نتایج XPS نشان می دهد که لایه بیرونی فیلم غیرفعال عمدتاً از اکسیدهای آهن و هیدروکسیدهایی تشکیل شده است که خواص نیمه هادی نوع n را نشان می دهند و لایه داخلی عمدتاً از اکسیدهای کروم و هیدروکسیدهایی تشکیل شده است که خواص نیمه هادی نوع p را نشان می دهند.
2205 DSS به دلیل محتوای بالای Cr17.54 از مقاومت بالایی برخوردار است و درجات مختلفی از سوراخ شدن را به دلیل خوردگی گالوانیکی میکروسکوپی55 بین ساختارهای دوبلکس نشان می دهد.خوردگی حفره‌ای یکی از رایج‌ترین انواع خوردگی در DSS است و دما یکی از عوامل مهم تأثیرگذار بر رفتار خوردگی حفره‌ای است و بر فرآیندهای ترمودینامیکی و جنبشی واکنش DSS تأثیر دارد.به طور معمول، در یک محلول شبیه سازی شده با غلظت بالای کلر و دی اکسید کربن اشباع، دما همچنین بر تشکیل حفره و شروع ترک در حین ترک خوردگی تنشی تحت ترک خوردگی تنشی تأثیر می گذارد و دمای بحرانی حفره برای ارزیابی تعیین می شود. مقاومت در برابر خوردگیDSS.این ماده که منعکس کننده حساسیت ماتریس فلزی به دما است، معمولاً به عنوان یک مرجع مهم در انتخاب مواد در کاربردهای مهندسی استفاده می شود.میانگین دمای بحرانی حفره 2205 DSS در محلول شبیه سازی شده 66.9 درجه سانتیگراد است که 25.6 درجه سانتیگراد بالاتر از فولاد ضد زنگ Super 13Cr با 3.5٪ NaCl است، اما حداکثر عمق حفره به 12.9 میکرومتر62 رسیده است.نتایج الکتروشیمیایی بیشتر تایید کرد که نواحی افقی زاویه فاز و فرکانس با افزایش دما باریک می شوند و با کاهش زاویه فاز از 79 درجه به 58 درجه، مقدار |Z|از 1.26×104 به 1.58×103 Ω cm2 کاهش می یابد.مقاومت انتقال بار Rct از 2.958 1014 به 2.541 103 Ω cm2 کاهش یافت، مقاومت محلول Rs از 2.953 به 2.469 Ω cm2 کاهش یافت، مقاومت فیلم Rf از 5.430 10-4 cm2 به 1.147 10-3 cm2 کاهش یافت.رسانایی محلول تهاجمی افزایش می یابد، پایداری لایه فیلم ماتریس فلزی کاهش می یابد، به راحتی حل می شود و ترک می خورد.چگالی جریان خود خوردگی از 1.482 به 2.893×10-6 A cm-2 افزایش یافت و پتانسیل خود خوردگی از 0.532- به 0.621- ولت کاهش یافت.مشاهده می شود که تغییر دما بر یکپارچگی و چگالی لایه فیلم تأثیر می گذارد.
در مقابل، غلظت بالای Cl- و محلول اشباع CO2 با افزایش دما، به تدریج ظرفیت جذب Cl- را در سطح فیلم غیرفعال افزایش می دهد، پایداری فیلم غیرفعال ناپایدار می شود و اثر محافظتی بر روی سطح فیلم غیرفعال می شود. بستر ضعیف تر می شود و حساسیت به سوراخ شدن افزایش می یابد.در این حالت، فعالیت یون‌های خورنده در محلول افزایش می‌یابد، محتوای اکسیژن کاهش می‌یابد و لایه سطحی مواد خورده به سختی قابل بازیابی سریع است، که شرایط مطلوب‌تری را برای جذب بیشتر یون‌های خورنده روی سطح ایجاد می‌کند.کاهش مواد63.رابینسون و همکاران[64] نشان داد که با افزایش دمای محلول، سرعت رشد چاله ها تسریع می شود و سرعت انتشار یون ها در محلول نیز افزایش می یابد.هنگامی که دما به 65 درجه سانتیگراد افزایش می یابد، انحلال اکسیژن در محلولی حاوی یون های کلر، فرآیند واکنش کاتدی را کند می کند، سرعت حفره شدن کاهش می یابد.Han20 اثر دما را بر رفتار خوردگی فولاد ضد زنگ دوبلکس 2205 در محیط CO2 بررسی کرد.نتایج نشان داد که افزایش دما باعث افزایش میزان محصولات خوردگی و مساحت حفره های انقباض بر روی سطح ماده می شود.به طور مشابه، هنگامی که دما به 150 درجه سانتیگراد افزایش می یابد، لایه اکسید روی سطح می شکند و چگالی دهانه ها بالاترین میزان است.Lu4 اثر دما را بر رفتار خوردگی فولاد ضد زنگ دوبلکس 2205 از غیرفعال شدن تا فعال شدن در یک محیط زمین گرمایی حاوی CO2 بررسی کرد.نتایج آنها نشان می دهد که در دمای آزمایش زیر 150 درجه سانتیگراد، فیلم تشکیل شده دارای ساختار آمورف مشخص است و سطح مشترک داخلی حاوی یک لایه غنی از نیکل است و در دمای 300 درجه سانتیگراد، محصول خوردگی حاصل ساختاری در مقیاس نانو دارد. .- چند کریستالی FeCr2O4، CrOOH و NiFe2O4.
روی انجیر11 نموداری از فرآیند خوردگی و تشکیل فیلم 2205 DSS است.قبل از استفاده، 2205 DSS یک فیلم غیرفعال کننده در اتمسفر تشکیل می دهد.سطح آن پس از غوطه ور شدن در محیطی که محلول های حاوی محلول های حاوی کلر و CO2 را شبیه سازی می کند، به سرعت توسط یون های مهاجم مختلف (Cl-، CO32- و غیره) احاطه می شود.).J. Banas 65 به این نتیجه رسید که در محیطی که CO2 به طور همزمان وجود دارد، پایداری لایه غیرفعال بر روی سطح ماده با گذشت زمان کاهش می یابد و اسید کربنیک تشکیل شده تمایل به افزایش رسانایی یون ها در منفعل شدن دارد. لایه.فیلم و شتاب انحلال یونها در یک فیلم غیرفعال.فیلم منفعل کنندهبنابراین، لایه لایه روی سطح نمونه در مرحله تعادل دینامیکی انحلال و غیرفعال شدن مجدد قرار دارد، کلر سرعت تشکیل لایه لایه سطحی را کاهش می‌دهد و حفره‌های ریز حفره‌ای در ناحیه مجاور سطح فیلم ظاهر می‌شوند. در شکل 3 نشان داده شده است.همانطور که در شکل 11 الف و ب نشان داده شده است، گودال های خوردگی ناپایدار کوچک به طور همزمان ظاهر می شوند.همانطور که در شکل 11c نشان داده شده است، همانطور که دما افزایش می یابد، فعالیت یون های خورنده در محلول روی لایه فیلم افزایش می یابد و عمق حفره های ناپایدار کوچک افزایش می یابد تا جایی که لایه لایه به طور کامل توسط لایه شفاف نفوذ کند.با افزایش بیشتر دمای محیط انحلال، محتوای CO2 محلول در محلول تسریع می شود، که منجر به کاهش مقدار pH محلول، افزایش چگالی کوچکترین حفره های خوردگی ناپایدار روی سطح SPP می شود. عمق حفره‌های خوردگی اولیه منبسط و عمیق‌تر می‌شود، و فیلم غیرفعال‌کننده روی سطح نمونه با کاهش ضخامت، لایه غیرفعال‌کننده بیشتر مستعد ایجاد حفره می‌شود، همانطور که در شکل 11d نشان داده شده است.و نتایج الکتروشیمیایی علاوه بر این تأیید کرد که تغییر دما تأثیر خاصی بر یکپارچگی و چگالی فیلم دارد.بنابراین، مشاهده می شود که خوردگی در محلول های اشباع شده با CO2 حاوی غلظت های بالای Cl- به طور قابل توجهی با خوردگی در محلول های حاوی غلظت های پایین Cl-67،68 متفاوت است.
فرآیند خوردگی 2205 DSS با تشکیل و تخریب یک فیلم جدید.(الف) فرآیند 1، (ب) فرآیند 2، (ج) فرآیند 3، (د) فرآیند 4.
میانگین دمای بحرانی حفره 2205 DSS در محلول شبیه سازی شده حاوی 100 گرم در لیتر کلر و CO2 اشباع 66.9 ℃ و حداکثر عمق حفره 12.9 میکرومتر است که مقاومت خوردگی 2205 DSS را کاهش می دهد و حساسیت به حفره شدن را افزایش می دهد.افزایش دما