1、2023 年 5 月May 2023第 44 卷第 3 期Vol 44No 3doi:10 3969/j issn 1671 7775 2023 03 015开放科学(资源服务)标识码(OSID):氯化钠溶液预腐蚀对 304 不锈钢表面空蚀的影响刘海霞，欧阳亚东，陈杰，刘光磊，余辉(江苏大学 材料科学与工程学院，江苏 镇江 212013)摘要:为探究腐蚀作用对空蚀的作用机理，借助符合美国材料与试验协会发布的 ASTM G13495空化液体射流对固体材料侵蚀的标准试验方法 相关规定的射流空蚀实验台，从累计质量损失、表面形貌、表面粗糙度等方面，对被不同质量分数氯化钠溶液腐蚀的 304 奥氏体不锈钢
2、试样的空蚀特征进行综合分析 分析结果表明:304 不锈钢试样的腐蚀程度随 NaCl 溶液质量分数的升高，呈现先变弱、后增强的趋势;一定质量分数的 NaCl 溶液腐蚀作用对空蚀有延缓作用，其延缓程度随着NaCl 溶液质量分数的增加呈先增大、后减小的趋势，并在 NaCl 溶液质量分数为 3 5%时空蚀程度达到极小值;随着 NaCl 溶液质量分数的增加，在腐蚀时间和射流空蚀时间均相同时，304 不锈钢试样塑性变形加剧，孪晶层厚度逐渐增加，其累计质量损失和表面粗糙度均呈现先减小、后增大的趋势;与直接空蚀的试样相比，被腐蚀后、再发生空蚀的试样被破坏程度较小，试样表面粗糙度也较小;由于受到空蚀作用，晶粒发
3、生择优取向和细化现象关键词:304 不锈钢;氯化钠溶液;腐蚀;空蚀;表面形貌;晶粒细化中图分类号:TG178文献标志码:A文章编号:1671 7775(2023)03 0351 08引文格式:刘海霞，欧阳亚东，陈杰，等 氯化钠溶液预腐蚀对 304 不锈钢表面空蚀的影响J 江苏大学学报(自然科学版)，2023，44(3):351 358收稿日期:2022 04 19基金项目:国家自然科学基金资助项目(52175410)作者简介:刘海霞(1977)，女，河北保定人，教授，博士生导师(liuhx ujs edu cn)，主要从事金属材料的表面强化研究欧阳亚东(1998)，男，湖北荆州人，硕士研究生(
4、ouyangyadongwyr163 com)，主要从事金属材料的空化与空蚀研究Effect of pre-corrosion of NaCl solution on surface cavitationerosion of 304 stainless steelLIU Haixia，OUYANG Yadong，CHEN Jie，LIU Guanglei，YU Hui(School of Materials Science and Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang，Jiangsu 212013，China)Abstract:To explore
5、the effect of corrosion on cavitation erosion，the experiment was performed oncorrosion and cavitation erosion of 304 stainless steel samples Different concentrations of sodium chloridesolution were adopted for corrosion The experiments of cavitation erosion were conducted based on thewaterjet cavita
6、tion test bench conforming to ASTM G13495 of standard test method for erosion of solidmaterials by a cavitating liquid jet The cavitation erosion characteristics of the 304 austenitic stainlesssteel samples were comprehensively analyzed according to cumulative mass loss，surface morphology andsurface
7、 roughness The analysis results show that the corrosion degree of 304 stainless steel is weakenedfirst with latter strengthening by increasing the concentration of NaCl solution The corrosion of NaClsolution contributes to the delay of cavitation erosion in a certain concentration，and the delaying e
8、ffect isenhanced first with latter mitigating with the increasing of NaCl solution concentration The minimum352第 44 卷cavitation erosion is obtained at the concentration of NaCl solution of 3.5%For the same corrosion timeand cavitation erosion time，the plastic deformation is strengthened，and the thic
9、kness of twin layer oftested samples is gradually increased with the increasing of NaCl solution concentration，while thecumulative mass loss and the surface roughness are decreased first with latter increasing during theprocess Compared to the sample undergoing cavitation erosion，the sample sufferin
10、g from corrosion andcavitation erosion is featured by relatively slight cavitation erosion and smooth surfaceDue to thecavitation erosion，the grains are preferentially oriented and refinedKey words:304 stainless steel;sodium chloride solution;corrode;cavitation erosion;surface morphology;grain refin
11、ement空化是发生在液体中的一种复杂的物理现象当液体中局部静压强低于其饱和蒸汽压时，其中的空化核将迅速长大成为肉眼可见的空化泡 空化泡迁移至高压区时，会由于内外压强不平衡而溃灭，空化泡溃灭的瞬间会产生冲击波或微射流 当材料表面长期受到空化泡溃灭作用时，就会产生空蚀现象1 应用于海洋和船舶工程中的机械部件在运行时常受到腐蚀和空蚀的联合作用2 多重因素对材料表面的作用涵盖了复杂的机理，已有研究表明材料在氯化钠溶液中会受到腐蚀和空蚀的协同作用，从而导致材料失效加速，寿命缩短3 也有科研人员对被 NaCl 溶液腐蚀后试样进行空蚀研究，结果表明一定程度的腐蚀能够延缓空蚀发展4，例如，316LVM 钢在
12、质量分数为 3 5%NaCl 溶液中形成的钝化膜会降低空蚀发生的概率5 可见，介质质量分数是影响腐蚀与空蚀联合作用的重要因素 文献 6 发现在人工模拟海水(NaCl 质量分数为 3.5%)中，随着硫化物质量分数升高，镍铝青铜抵抗空蚀和腐蚀的能力明显下降，而锰铝青铜和锰黄铜对硫化物质量分数不敏感 NaCl 溶液质量分数为 0.5%15.0%时，ASTM1045 碳钢的质量损失存在临界值7 在空蚀与腐蚀的协同作用中，氯离子的质量分数增加会加速双相不锈钢(00Cr22Ni5Mo3N)表面层纳米力学性能的退化8 在脉冲空蚀与腐蚀共同作用过程中，316L 不锈钢(美标 AISI 316L 不锈钢)由于钝
13、化膜的自恢复作用而呈现负协同特征9 不锈钢在流体机械的加工制造中被广泛采用，但是在含有 Cl的海洋环境中，不锈钢容易发生晶间腐蚀、缝隙腐蚀及点腐蚀等局部腐蚀10 11 受海域位置、气候等因素的影响，海水中 NaCl 质量分数会在一定范围内波动 考虑到沿海地区的实际使用环境，探究不同质量分数 NaCl 溶液腐蚀后不锈钢的空蚀特征具有重要的工程价值 目前关于 NaCl 质量分数对不锈钢腐蚀程度影响的认识还不够充分，对不同质量分数 NaCl 溶液腐蚀的金属材料空蚀特征的研究更是鲜见报道笔者以 304 奥氏体不锈钢为研究对象，对质量分数分别为 2.0%、3.5%和 4.5%的 NaCl 溶液中被腐蚀
14、24 h 后的 304 不锈钢进行射流空蚀试验，通过测量、观察试样的质量损失、表面形貌、微观组织和表面粗糙度等，对试样表面的空蚀特征进行系统分析与对比，研究成果将为过流部件的空蚀机理研究与空蚀性能改进提供参考1试验材料和方法采用符合美国材料与试验协会发布的 ASTMG13495空化液体射流对固体材料侵蚀的标准试验方法 的射流空蚀实验台进行试验研究，其装置示意图见文献 2 将 304 奥氏体不锈钢棒材加工成图 1 所示的形状 不锈钢中 C、Si、Mn、P、S、Cr 和Ni 的质量分数分别为 0.038%、0.469%、1.288%、0.039%、0.019%、18.233%和 8.106%，其余
15、为 Fe图 1304 不锈钢试样结构及尺寸示意图(单位:mm)将分析纯氯化钠粉末与蒸馏水按一定比例配制成质量分数分别为 2.0%、3.5%和 4.5%的氯化钠溶液 304 不锈钢试样经 800、1 000、1 200、1 500和 2 000 号砂纸依次打磨，再用 1 m 的金刚石抛光液抛光至镜面效果 之后分别在 3 种不同质量分数的 NaCl 溶液中腐蚀24 h，在无水乙醇中进行超声清洗 5 min，再吹干，然后在射流空蚀试验装置中空蚀45 min 进而使用 EX225DZH 型电子分析天平称量第 3 期刘海霞等:氯化钠溶液预腐蚀对 304 不锈钢表面空蚀的影响353试样的失重，相关计算方法
16、见文献 11 利用日本奥林巴斯 OLS4100 型激光共聚焦显微镜观察试样表面三维形貌 利用 FEI NovaNano450 型扫描电镜观察空蚀后的试样表面形貌 使用美国阿美特克集团公司的 1260A+1287A 多通道电化学工作站测定腐蚀后试样的极化曲线 使用 ICX4IM 型金相显微镜观察试样截面金相组织 采用扫描电镜配备的EBSD 探头测量试样截面的晶粒大小与取向2结果与讨论2.1试样累计质量损失图 2 为试样被不同质量分数 w 的 NaCl 溶液腐蚀后、再空蚀，且腐蚀和空蚀时间相同时获得的累计质量损失 mdiss对比图 2试样被 NaCl 溶液腐蚀、再空蚀后累计质量损失对比试验中，每组试样测 5 次，取平均值 本试验质量损失误差值为 0.003 mg由图 2 可知，在腐蚀和空蚀时间相同的条件下，随着 NaCl 溶液质量分数增加，304 不锈钢试样的累计质量损失呈现先减小、后增大的趋势 当 NaCl 溶液质量分数为 2.0%时，试样累计质量损失为 0.070mg，相较于未腐蚀试样，累计质量损失减少了 0.008mg;当 NaCl 溶液质量分数为 3.5%时，试样累计质量损失为 0