CN116337745B - 采用smat处理后的梯度材料耐蚀性的逐层电化学分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用SMAT处理后的梯度材料耐蚀性的逐层电化学分析方法，涉及材料耐蚀性的分析领域。具体如下：基础腐蚀参数获取、逐层梯度表面处理、逐层梯度腐蚀参数获取、基于钝化行为的梯度材料耐蚀性测试。本发明为一种全新的深度方向组织、成分梯度材料耐蚀性评估方法，对梯度精细结构可同时进行梯度表征；梯度表面利用简单方法进行精细化组织制备，为精细化结构表征提供了全新的思路；不同钝化模式也是一种全新的对比测试方法，通过控制钝化速度来分析钝化膜形成机理及梯度结构带来的影响因素。本发明形成了从梯度表面制备到表征，最后到机理分析的成套测试体系，形成全新的梯度结构材料钝化方法，具有重大的创新和指导意义。
Description
技术领域
本发明涉及材料耐蚀性的分析领域，具体为一种采用SMAT处理后的梯度材料耐蚀性的逐层电化学分析方法，适用于不锈钢梯度材料耐蚀性分析。
背景技术
奥氏体耐热钢在应用过程中以其优异的耐蚀性和抗高温氧化性能广泛应用于工业生产中，但因其强度稍差，硬度较低等问题受限制于承受高载荷等服役环境。传统处理手段，如热处理、轧制等方法可以提高材料整体的强度，但这种提升是以牺牲材料塑性为代价的。在现在的应用中常用表面处理手段来获得强度的适当提升，作为一种表面处理手段，SMAT（表面机械研磨处理）受到广泛和研究，用以提升材料的强度与塑性匹配问题。
SMAT作为一种表面处理手段给材料性能带来的影响不止表现于表面，研究表明经过处理后材料的晶粒大小由表面至内部呈现出梯度变化。正因为这种微观层面的梯度变化，材料经SMAT后强度有很大的提升，但其塑性并没有因这种塑性变形剧烈下降，这就是纳米梯度结构带来的增益。但回归到材料本身，不锈钢应用于工业环境究其原因还是因其优异的耐蚀性，经过SMAT处理后，材料是否依旧表现出优异的耐蚀性能是我们需要研究的主要内容。对于材料耐腐蚀性能的测试，一般有三种方式，分别是重量法、表面观察法、电化学测试法。但是对于梯度材料的耐蚀性测试却没有一个公认的方法，近年来有关SMAT后的不锈钢耐蚀性能的探究层出不穷，但结果各异。同样针对316L进行耐蚀性研究，但却出现了两种不同的结果：有文献指出腐蚀电流密度上升了一倍，但另一项研究中耐蚀性却下降了2倍。针对这样一种现象，需要改进现有的对于梯度材料的耐蚀性测试方法。
发明内容
本发明为了解决梯度材料的耐蚀性测试，缺乏一个公认通用的办法的问题，提供了一种采用SMAT处理后的梯度材料耐蚀性的逐层电化学分析方法。
本发明是通过如下技术方案来实现的：一种采用SMAT处理后的梯度材料耐蚀性的逐层电化学分析方法，包括如下步骤：基础腐蚀参数获取、逐层梯度表面处理、逐层梯度腐蚀参数获取、基于钝化行为的梯度材料耐蚀性测试。
第一步，基础腐蚀参数获取：采用轧态、固溶态C-HRA-5不锈钢，用线切割制备直径为60mm厚度为4mm的圆形薄片经表面抛光、超声清洗干燥后，在SNC2型表面纳米化试验机中进行不同参数的纳米化试验；试验中选取处理时间为具体变量，参数为：采用4mm304不锈钢小球进行0、30min、40min、50min以及60min处理；处理后经简单机械抛光去除表面氧化层，将处理后的试样切割成15mm×15mm的试样，对不同SMAT处理时间的试样在3.5%NaCl溶液中进行动电位极化测试以确定基础耐蚀性参数所述基础耐蚀性参数包括自腐蚀电位Ecorr、电流密度Icorr、钝化区间、维顿电流密度Ipass，结果表明经过50或60min时间处理后的试样在极化曲线中，表现出优异的耐腐蚀性能，同时EIS数据表明40min以上纳米化处理后的耐蚀性比40min以下的纳米化处理后的耐蚀性更强，但多次重复实验表明这种提升并没有呈现出与组织变化一致的规律，因此在以上基础腐蚀数据下，开展逐层电化学测试以寻找其中的关系。
第二步，逐层表面处理及基础测试：选取处理时间最长60min的试样进行梯度表面制备，使用电化学工作站为主要测试手段，辅以OM、SEM等进行梯度深度确认，精确到10微米；在不破坏梯度结构前提下，将经轻度打磨的试样制成15mm×15mm，厚度为4mm的待测样品，测试溶液采用0.05mol/L的硫酸溶液，参比电极采用饱和甘汞电极，对电极选择铂电极，工作电极为所制得的试样；梯度表面制备过程：首先对未经打磨的表面进行动电位极化测试以确定起始表面，起始表面0μm，接着采用高目SiC砂纸在无水乙醇的湿润下轻微打磨试样表面，所述高目数值为>=1000目，以10次打磨为一个周期，打磨方向为同一方向，每三个周期利用电子螺旋测微器进行厚度表征，打磨至40微米左右，利用金刚石磨料进行机械抛光至50μm；到达所需深度后进行OM、SEM的微观表征，确保梯度深度在可控范围且表面处理满足与0μm相同水平；而后先进行XRD测试，再进行电化学性能测试，测试结束再进行SEM截面表征确定梯度层厚度以便于下一步打磨的精确性；根据不同梯度材料深度范围来确定下一打磨深度；由于梯度材料分为四部分，因此分别打磨至0、50、150、500μm；过程中表面状态用表面粗糙度测试仪和XRD确定，同时确定钝化区间和范围，为下一步钝化测试提供依据。
第三步：逐层梯度腐蚀参数获取：第三步与第二步相结合，分析测试部分；首先采用强氧化类酸的稀溶液进行电化学测试；在试验中，发现在0μm和500μm深度下没有出现明显的钝化区间，这与第一步中NaCl溶液中的钝化行为一致；因此确定腐蚀行为的改变是基于钝化行为的改变；同时EIS阻抗分析可以明确钝化膜的类型，在50和150μm的梯度表面拟合电路为明显的钝化膜型电路，因此容抗弧半径增加两到三个数量级；在确保粗糙度一致的情况下，则以残余应力和微观结构这两方面进行因素分析；在进行梯度表面制备时，进行了XRD测试，采用以下梯度逐层钝化方法来测试梯度材料钝化行为。
第四步，梯度逐层钝化分析：选取两种不同钝化方法对制备的梯度表面进行钝化行为研究，包括浓酸快速钝化法和开路电位下自然钝化法；浓酸快速钝化法是由强氧化环境提供钝化膜成膜驱动力，因此可以单一研究微观组织变化对逐层钝化行为的影响，开路电位下自然钝化法则可以观察残余应力是否作为驱动力增加钝化膜的致密性和厚度；对不同深度的梯度表面和不同处理时间试样采用40%HNO3溶液常温下钝化30min，接着进行EIS阻抗分析和M-S曲线测试；随着处理时间的增加容抗环半径在逐渐增大，增加速率缓慢，当处理时间增加至40min时半径突然增大，呈现出钝化的趋势；同样从相角图观察到，在低频段相角越低表明其耐蚀性越差，可以看出经过SMAT处理后，不锈钢耐蚀性总体呈现提升趋势，随处理时间的增加，耐蚀性先增加后处于平稳，这表明处理时间为60min时钝化膜最稳定；从不同深度的梯度表面数据来看随着深度增加晶粒逐渐增大，但钝化膜稳定性在逐渐减小；根据绘制出的M-S曲线，表明了钝化膜的半导体性能，根据其斜率的正负判断其半导体性质，对曲线线性部分进行拟合，并进行判断：当斜率为正时，表明钝化膜为 n 型半导体，钝化膜中的阳离子间隙比阳离子空位和氧空位多，则钝化膜内的主要载流子为阳离子间隙，通过直线的斜率计算出钝化膜内载流子密度的值，把这个值称为施主密度；所述直线与x轴的交点的值则称为平带电位；线性段拟合后，若随着处理时间的增加斜率在逐渐增加，而且判据为：随着处理时间的增加，斜率不断增大则对应施主密度在不断减小，说明钝化膜更致密；与此同时若平带电流随着处理时间的增加逐渐增大，则表明SMAT处理后钝化膜生长达到稳定的电位有提高，但若是负值，则表示对钝化膜稳定性的影响忽略不计；而后利用同样方法在0.05mol/L硫酸溶液中外加电位钝化2h，接着对其EIS阻抗和M-S曲线测试，使经过不同时间SMAT处理的试样在2h的开路电位下形成钝化膜，观察经过处理后容抗环半径是否有明显的提升。
上述方法采用SPD的原理，SMAT方法制备了梯度结构材料，但在含Cl-腐蚀介质中从未发现一种归一化的耐蚀性规律，利用常规测试方法局限于：1.无法排除粗糙度、残余应力等外界因素影响；2.无法提出明确梯度材料耐蚀性测试机理，无法深入研究不同深度梯度材料的耐蚀性。因此本发明采用全新的测试体系，利用简单且精确的不同深度梯度表面制备工艺，采用OM、SEM、XRD、TEM、EIS和M-S曲线表征方法，开发一种基于钝化行为的梯度材料耐蚀性综合评估方法。梯度材料制备过程中天然规避了粗糙度对耐蚀性的影响，因为本测试中始终保持着同一粗糙度原则。但0微米处无法规避粗糙度影响，通过对比发现粗糙度的存在可以完全抵消梯度材料本身带给耐蚀性的增益，实际上这一深度也可以作为一种对比来说明粗糙度这一影响。排除影响因素过程中需要严格控制变量，微小变量差异都会给结果带来无法解释的影响。此外在制备梯度表面后将进行一系列的测试：微观表征、动电位极化及钝化测试。这里动电位极化测试是一种破坏性测试，因此需要两个试样来分别进行测试钝化和基础腐蚀数据测试。测试全程需要保持试样的表面光洁度和干燥性，避免外界因素如温度、湿度等对钝化过程影响。本发明的方法适用于各种方法制备的在深度方向上具有组织和成分梯度材料的耐蚀性、微观组织评估，经过适当调整即可在制备梯度表面后进行测试，但需要注意表面状态变化。
与现有技术相比本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种采用SMAT处理后的梯度材料耐蚀性的逐层电化学分析方法，1.提供了一种全新的深度方向组织、成分梯度材料耐蚀性评估方法，对梯度精细结构可以同时进行梯度表征；2.梯度表面制备利用简单方法进行精细化组织制备，为精细化结构的表征提供了全新的思路；3.本发明中的不同钝化模式也是一种全新的对比测试方法，通过控制钝化速度来分析钝化膜形成机理及梯度结构带来的影响因素。综合来看本发明形成了从梯度表面制备到表征，最后到机理分析的成套测试体系，甚至在后续研究中，能够形成全新的梯度结构材料钝化方法，因此具有重大的创新和指导意义。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
一种采用SMAT处理后的梯度材料耐蚀性的逐层电化学分析方法，包括如下步骤：基础腐蚀参数获取、逐层梯度表面处理、逐层梯度腐蚀参数获取、基于钝化行为的梯度材料耐蚀性测试；
第一步，基础腐蚀参数获取：采用轧态、固溶态C-HRA-5不锈钢，用线切割制备直径为60mm厚度为4mm的圆形薄片经表面抛光、超声清洗干燥后，在SNC2型表面纳米化试验机中进行不同参数的纳米化试验；试验中选取处理时间为具体变量，参数为：采用4mm304不锈钢小球进行0、30min、40min、50min以及60min处理；处理后经简单机械抛光去除表面氧化层，将处理后的试样切割成15mm×15mm的试样，对不同SMAT处理时间的试样在3.5%NaCl溶液中进行动电位极化测试以确定基础耐蚀性参数所述基础耐蚀性参数包括自腐蚀电位Ecorr、电流密度Icorr、钝化区间、维顿电流密度Ipass，结果表明经过50或60min时间处理后的试样在极化曲线中，表现出优异的耐腐蚀性能，同时EIS数据表明40min以上纳米化处理后的耐蚀性比40min以下的纳米化处理后的耐蚀性更强，但多次重复实验表明这种提升并没有呈现出与组织变化一致的规律，因此在基础腐蚀数据下，开展逐层电化学测试以寻找其中的关系。
第二步，逐层表面处理及基础测试：为保证对梯度结构耐蚀性精确表征，选取处理时间最长（60min）的试样进行梯度表面制备，使用电化学工作站为主要测试手段，辅以OM、SEM等进行梯度深度确认（精确到10微米）。将经轻度打磨（不破坏梯度结构前提下）的试样制成15mm×15mm，厚度为4mm的待测样品，测试溶液采用0.05mol/L的硫酸溶液，参比电极采用饱和甘汞电极，对电极选择铂电极，工作电极为所制得的试样；梯度表面制备过程：首先对未经打磨的表面进行动电位极化测试以确定起始表面（0μm），接着采用高目(>=1000目)SiC砂纸在无水乙醇的湿润下轻微打磨试样表面，以10次打磨为一个周期，打磨方向为同一方向，每三个周期利用电子螺旋测微器进行厚度表征，打磨至40微米左右，利用金刚石磨料进行机械抛光至50μm。到达所需深度后进行OM、SEM的微观表征，确保梯度深度在可控范围且表面处理满足与0μm相同水平。而后先进行XRD测试，再进行电化学性能测试，测试结束再进行SEM截面表征确定梯度层厚度以便于下一步打磨的精确性。根据不同梯度材料深度范围来确定下一打磨深度。本实施例中由于梯度材料分为四部分，因此打磨至0、50、150、500μm。后续测试中如果材料不同可以选取不同打磨深度和表面。该过程中表面状态用表面粗糙度测试仪和XRD确定。控制粗糙度和残余应力分布是该测试技术的关键点。第二步所作电化学测试主要确定钝化区间和范围，为下一步钝化测试提供依据，以下表1为测试结果：
表1
测试结果说明表面未经过打磨处理的阻抗最小，耐蚀性能最差。除上述现象外还能看出其不同区域钝化区间不同，表面层及基体钝化现象似乎更明显，而在中间两区域钝化区间较不稳定。
第三步：逐层梯度腐蚀参数获取：该步骤主要与第二步相结合，主要分析测试部分。首先采用硫酸、硝酸、铬酸等强氧化类酸的稀溶液进行电化学测试，主要原因是本实施例是基于钝化行为的研究，因此每个梯度表面的耐蚀性关键数据在于钝化行为。因此在进行动电位极化曲线测试时着重关注钝化区间和维顿电流密度。在本实施例中，发现在0μm和500μm深度下没有出现明显的钝化区间，这与第一步中NaCl溶液中的钝化行为一致。因此可以确定腐蚀行为的改变是基于钝化行为的改变。同时EIS阻抗分析可以明确钝化膜的类型，在50和150μm的梯度表面拟合电路为明显的钝化膜型电路，因此容抗弧半径增加两到三个数量级。在确保粗糙度一致的情况下，则可以以残余应力和微观结构这两方面进行因素分析。在进行梯度表面制备时，进行了XRD测试，目的在于：1.确定在处理过程中是否存在相变对耐蚀性产生影响；2.利用sin2ψ法测试残余应力（若需要更高精度测试可以用其他残余应力测试方法）。为了探究微观组织和残余应力对钝化行为的影响，则开发了以下梯度逐层钝化方法来测试梯度材料钝化行为。
第四步，梯度逐层钝化分析：选取两种不同钝化方法对制备的梯度表面进行钝化行为研究，浓酸快速钝化法和开路电位下自然钝化法。快速钝化由强氧化环境提供钝化膜成膜驱动力因此可以单一研究微观组织变化对逐层钝化行为的影响，而自然钝化则可以观察残余应力是否作为驱动力增加钝化膜的致密性和厚度。对不同深度的梯度表面和不同处理时间试样采用40%HNO3溶液常温下钝化30min，接着进行EIS阻抗分析和M-S曲线测试。随着处理时间的增加容抗环半径在逐渐增大，增加速率缓慢，当处理时间增加至40min时半径突然增大，呈现出钝化的趋势；同样从相角图观察到，在低频段相角越低表明其耐蚀性越差，可以看出经过SMAT处理后，不锈钢耐蚀性总体呈现提升趋势，随处理时间的增加，耐蚀性先增加后处于平稳这表明处理时间为60min时钝化膜最稳定；从不同深度的梯度表面数据来看随着深度增加晶粒逐渐增大，但钝化膜稳定性在逐渐减小。根据绘制出M-S曲线，表明了钝化膜的半导体性能，根据其斜率的正负判断其半导体性质，对曲线线性部分进行拟合，并进行判断：当斜率为正时，表明钝化膜为 n 型半导体，钝化膜中的阳离子间隙比阳离子空位和氧空位多，则钝化膜内的主要载流子为阳离子间隙，通过直线的斜率计算出钝化膜内载流子密度的值，把这个值称为施主密度；所述直线与x轴的交点的值则称为平带电位；线性段拟合后，若随着处理时间的增加斜率在逐渐增加，而且判据为：随着处理时间的增加，斜率不断增大则对应施主密度在不断减小，说明钝化膜更致密；与此同时若平带电流随着处理时间的增加逐渐增大，则表明SMAT处理后钝化膜生长达到稳定的电位有提高，但若是负值，则表示对钝化膜稳定性的影响忽略不计；而后利用同样方法在0.05mol/L硫酸溶液中外加电位钝化2h，接着对其EIS阻抗和M-S曲线测试，使经过不同时间SMAT处理的试样在2h的开路电位下形成钝化膜，观察经过处理后容抗环半径是否有明显的提升，且与浓HNO3钝化后的结果相比，观察两种钝化过程后，容抗环半径变化是否明显，从而比较出在硫酸溶液中缓慢钝化后耐蚀性与在强氧介质中的钝化后的耐蚀性。这一步说明除了晶粒减小外，残余应力也对钝化膜的生长存在积极影响。
本实施例所设计的一种采用SMAT处理后的梯度材料耐蚀性的逐层电化学分析方法，通过电化学手段确定去除SMAT后表面粗糙的影响，进而保证后续钝化实验中生长出稳定钝化膜；经过逐层电化学分析得到在SMAT后材料表面去除50微米左右的厚度为耐蚀性能最佳。
本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种采用SMAT处理后的梯度材料耐蚀性的逐层电化学分析方法，其特征在于：包括如下步骤：基础腐蚀参数获取、逐层梯度表面处理、逐层梯度腐蚀参数获取、基于钝化行为的梯度材料耐蚀性测试；
第一步，基础腐蚀参数获取：采用轧态、固溶态C-HRA-5不锈钢，用线切割制备直径为60mm厚度为4mm的圆形薄片经表面抛光、超声清洗干燥后，在SNC2型表面纳米化试验机中进行不同参数的纳米化试验；试验中选取处理时间为具体变量，参数为：采用4mm304不锈钢小球进行0、30min、40min、50min以及60min处理；处理后经简单机械抛光去除表面氧化层，将处理后的试样切割成15mm×15mm的试样，对不同SMAT处理时间的试样在3.5%NaCl溶液中进行动电位极化测试以确定基础耐蚀性参数所述基础耐蚀性参数包括自腐蚀电位Ecorr、电流密度Icorr、钝化区间、维顿电流密度Ipass，结果表明经过50或60min时间处理后的试样在极化曲线中，表现出优异的耐腐蚀性能，同时EIS数据表明40min以上纳米化处理后的耐蚀性比40min以下的纳米化处理后的耐蚀性更强，但多次重复实验表明这种提升并没有呈现出与组织变化一致的规律，因此在基础腐蚀数据下，开展逐层电化学测试以寻找其中的关系；
第二步，逐层表面处理及基础测试：选取处理时间最长60min的试样进行梯度表面制备，使用电化学工作站为主要测试手段，辅以OM、SEM进行梯度深度确认，精确到10微米；在不破坏梯度结构前提下，将经轻度打磨的试样制成15mm×15mm，厚度为4mm的待测样品，测试溶液采用0.05mol/L的硫酸溶液，参比电极采用饱和甘汞电极，对电极选择铂电极，工作电极为所制得的试样；梯度表面制备过程：首先对未经打磨的表面进行动电位极化测试以确定起始表面，起始表面0μm，接着采用高目SiC砂纸在无水乙醇的湿润下轻微打磨试样表面，所述高目SiC砂纸的高目数值为>=1000目，以10次打磨为一个周期，打磨方向为同一方向，每三个周期利用电子螺旋测微器进行厚度表征，打磨至37~42微米，利用金刚石磨料进行机械抛光至50μm；到达所需深度后进行OM、SEM的微观表征，确保梯度深度在可控范围且表面处理满足与0μm相同水平；而后先进行XRD测试，再进行电化学性能测试，测试结束再进行SEM截面表征确定梯度层厚度以便于下一步打磨的精确性；根据不同梯度材料深度范围来确定下一打磨深度；由于梯度材料分为四部分，因此分别打磨至0、50、150、500μm；过程中表面状态用表面粗糙度测试仪和XRD确定，同时确定钝化区间和范围，为下一步钝化测试提供依据；
第三步：逐层梯度腐蚀参数获取：第三步与第二步相结合，分析测试部分；首先采用强氧化类酸的稀溶液进行电化学测试；在试验中，发现在0μm和500μm深度下没有出现明显的钝化区间，这与第一步中NaCl溶液中的钝化行为一致；因此确定腐蚀行为的改变是基于钝化行为的改变；同时EIS阻抗分析可以明确钝化膜的类型，在50和150μm的梯度表面拟合电路为明显的钝化膜型电路，因此容抗弧半径增加两到三个数量级；在确保粗糙度一致的情况下，则以残余应力和微观结构这两方面进行因素分析；在进行梯度表面制备时，进行了XRD测试，采用以下梯度逐层钝化方法来测试梯度材料钝化行为；
第四步，梯度逐层钝化分析：选取两种不同钝化方法对制备的梯度表面进行钝化行为研究，包括浓酸快速钝化法和开路电位下自然钝化法；浓酸快速钝化法是由强氧化环境提供钝化膜成膜驱动力，因此可以单一研究微观组织变化对逐层钝化行为的影响，开路电位下自然钝化法则可以观察残余应力是否作为驱动力增加钝化膜的致密性和厚度；对不同深度的梯度表面和不同处理时间试样采用40%HNO3溶液常温下钝化30min，接着进行EIS阻抗分析和M-S曲线测试；随着处理时间的增加容抗环半径在逐渐增大，增加速率缓慢，当处理时间增加至40min时半径突然增大，呈现出钝化的趋势；同样从相角图观察到，在低频段相角越低表明其耐蚀性越差，可以看出经过SMAT处理后，不锈钢耐蚀性总体呈现提升趋势，随处理时间的增加，耐蚀性先增加后处于平稳，这表明处理时间为60min时钝化膜最稳定；从不同深度的梯度表面数据来看随着深度增加晶粒逐渐增大，但钝化膜稳定性在逐渐减小；根据绘制出的M-S曲线，表明了钝化膜的半导体性能，根据其斜率的正负判断其半导体性质，对曲线线性部分进行拟合，并进行判断：当斜率为正时，表明钝化膜为 n 型半导体，钝化膜中的阳离子间隙比阳离子空位和氧空位多，则钝化膜内的主要载流子为阳离子间隙，通过直线的斜率计算出钝化膜内载流子密度的值，把这个值称为施主密度；所述直线与x轴的交点的值则称为平带电位；线性段拟合后，若随着处理时间的增加斜率在逐渐增加，而且判据为：随着处理时间的增加，斜率不断增大则对应施主密度在不断减小，说明钝化膜更致密；与此同时若平带电流随着处理时间的增加逐渐增大，则表明SMAT处理后钝化膜生长达到稳定的电位有提高，但若是负值，则表示对钝化膜稳定性的影响忽略不计；而后利用同样方法在0.05mol/L硫酸溶液中外加电位钝化2h，接着对其EIS阻抗和M-S曲线测试，使经过不同时间SMAT处理的试样在2h的开路电位下形成钝化膜，观察经过处理后容抗环半径是否有明显的提升。
2.根据权利要求1所述的一种采用SMAT处理后的梯度材料耐蚀性的逐层电化学分析方法，其特征在于：第二步中，梯度材料的打磨中，在后续测试中，材料不同，则选取不同打磨深度和表面。
3.根据权利要求1所述的一种采用SMAT处理后的梯度材料耐蚀性的逐层电化学分析方法，其特征在于：第三步中，强氧化类酸的稀溶液采用硫酸、硝酸或铬酸。
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Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0386758A1 (en) * | 1989-03-10 | 1990-09-12 | Kawasaki Steel Corporation | Steel sheets for porcelain enameling and method of producing the same |
| EP0683241A2 (en) * | 1994-05-21 | 1995-11-22 | Yong Soo Park | Duplex stainless steel with high corrosion resistance |
| CN101892487A (zh) * | 2010-06-29 | 2010-11-24 | 上海大学 | 冷轧低碳钢板表面形成复合结构层的耐腐蚀处理方法 |
| CN102600876A (zh) * | 2010-12-17 | 2012-07-25 | 太原理工大学 | 洋葱碳负载过渡金属碳化物纳米复合物的制备方法 |
| CN104233181A (zh) * | 2012-12-18 | 2014-12-24 | 太原理工大学 | 一种表面机械研磨纯镁基板材机械渗入Ni的渗入方法 |
| CN104611745A (zh) * | 2015-01-25 | 2015-05-13 | 北京化工大学 | 不锈钢表面高耐蚀耐磨性Pd–Co梯度合金电镀工艺 |
| CN107312989A (zh) * | 2017-06-07 | 2017-11-03 | 河海大学 | 一种含有lpso结构的纳米晶‑超细晶梯度镁合金的制备方法 |
| CN112708832A (zh) * | 2020-12-17 | 2021-04-27 | 贵州电网有限责任公司 | 一种提高铝合金耐腐蚀性能的表面改性方法 |
| CN112725751A (zh) * | 2020-12-16 | 2021-04-30 | 太原理工大学 | 一种超薄钕铁硼永磁体表面防护涂层的制备方法 |
| CN113373359A (zh) * | 2021-06-23 | 2021-09-10 | 贵州大学 | 一种层状梯度结构颗粒增强镁基复合材料及其制备方法 |
| CN115555569A (zh) * | 2022-09-30 | 2023-01-03 | 瓮福（集团）有限责任公司 | 一种高耐磨耐蚀的高熵合金涂层材料的制备方法 |
| CN116121674A (zh) * | 2023-02-21 | 2023-05-16 | 昆明理工大学 | 一种液氮下通过表面机械研磨提升纯铜表面耐蚀性的方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8409367B2 (en) * | 2008-10-29 | 2013-04-02 | The Hong Kong Polytechnic University | Method of making a nanostructured austenitic steel sheet |
-
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Patent Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0386758A1 (en) * | 1989-03-10 | 1990-09-12 | Kawasaki Steel Corporation | Steel sheets for porcelain enameling and method of producing the same |
| EP0683241A2 (en) * | 1994-05-21 | 1995-11-22 | Yong Soo Park | Duplex stainless steel with high corrosion resistance |
| CN101892487A (zh) * | 2010-06-29 | 2010-11-24 | 上海大学 | 冷轧低碳钢板表面形成复合结构层的耐腐蚀处理方法 |
| CN102600876A (zh) * | 2010-12-17 | 2012-07-25 | 太原理工大学 | 洋葱碳负载过渡金属碳化物纳米复合物的制备方法 |
| CN104233181A (zh) * | 2012-12-18 | 2014-12-24 | 太原理工大学 | 一种表面机械研磨纯镁基板材机械渗入Ni的渗入方法 |
| CN104611745A (zh) * | 2015-01-25 | 2015-05-13 | 北京化工大学 | 不锈钢表面高耐蚀耐磨性Pd–Co梯度合金电镀工艺 |
| CN107312989A (zh) * | 2017-06-07 | 2017-11-03 | 河海大学 | 一种含有lpso结构的纳米晶‑超细晶梯度镁合金的制备方法 |
| CN112725751A (zh) * | 2020-12-16 | 2021-04-30 | 太原理工大学 | 一种超薄钕铁硼永磁体表面防护涂层的制备方法 |
| CN112708832A (zh) * | 2020-12-17 | 2021-04-27 | 贵州电网有限责任公司 | 一种提高铝合金耐腐蚀性能的表面改性方法 |
| CN113373359A (zh) * | 2021-06-23 | 2021-09-10 | 贵州大学 | 一种层状梯度结构颗粒增强镁基复合材料及其制备方法 |
| CN115555569A (zh) * | 2022-09-30 | 2023-01-03 | 瓮福（集团）有限责任公司 | 一种高耐磨耐蚀的高熵合金涂层材料的制备方法 |
| CN116121674A (zh) * | 2023-02-21 | 2023-05-16 | 昆明理工大学 | 一种液氮下通过表面机械研磨提升纯铜表面耐蚀性的方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 时效温度对节镍双相不锈钢S32101晶间腐蚀行为影响的研究;何燕;张彩丽;王剑;李娟;许航;秦丽雁;韩培德;;腐蚀科学与防护技术(第03期);53-58 * |
| 表面机械研磨处理Fe-C合金腐蚀性能的研究;王宁;杜华云;杨子梅;卫英慧;安艳丽;范薇;延欢欢;;功能材料(第S2期);122-126 * |
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