隨著石油、天然氣等能源的開采環(huán)境日益苛刻,油井管材腐蝕已成為制約油氣資源高效、安全開采的關(guān)鍵問題,而解決該問題的重要途徑之一是選用經(jīng)濟(jì)合理的管材[1-3]。L80-9Cr馬氏體耐熱鋼（以下簡稱L80-9Cr鋼）作為API 5CT-2018《套管和油管規(guī)范》鋼級(jí),因兼具較好的耐蝕性、優(yōu)良的力學(xué)性能及經(jīng)濟(jì)性,已被廣泛應(yīng)用于含CO2、H2S等腐蝕介質(zhì)的高溫高壓井下環(huán)境中[4-5]。

L80-9Cr鋼以L80鋼為基礎(chǔ),在成分設(shè)計(jì)上,增加了Cr、Mo有益合金元素含量,提高了材料的回火抗力,進(jìn)而獲得穩(wěn)定的回火馬氏體組織,實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度與韌性的完美匹配[6]。鋼中主要強(qiáng)化相為分布在原奧氏體晶界及馬氏體板條束間的M23C6（M主要是Cr）型碳化物[7-8]。有研究表明,M23C6型析出相對(duì)含Cr馬氏體不銹鋼的腐蝕行為存在重要影響,其形成往往伴隨著周圍Cr含量的降低,在碳化物與基體界面形成貧Cr區(qū),從而降低該處鈍化膜的保護(hù)性[9-10]。ZHAO等[11]利用掃描開爾文探針發(fā)現(xiàn)M23C6型析出相電位高于周圍鋼基體,貧Cr區(qū)電位低于鋼基體,因此貧Cr區(qū)在腐蝕過程中將優(yōu)先發(fā)生溶解,該區(qū)也往往被認(rèn)為是點(diǎn)蝕的初始形核點(diǎn)。而非鈍化體系含Cr鋼中因Cr含量相對(duì)較低,其M23C6型碳化物的析出及分布特征對(duì)耐蝕性能的影響尚未明確。

此外,受冶煉、脫氧等生產(chǎn)環(huán)節(jié)的影響,夾雜物也是鋼中常見組分,同樣對(duì)材料的耐蝕性有一定影響[12-13]。LIU等[14]研究發(fā)現(xiàn),Al2O3夾雜的楊氏模量與鋼基體相差較大,兩者變形能力不同,加工或熱處理過程中夾雜物與鋼基體會(huì)產(chǎn)生微裂紋或縫隙。TYURIN等[15]比較了不同非金屬夾雜物的電化學(xué)活性,判斷了相同條件下夾雜物與鋼基體的腐蝕傾向。然而,析出相與夾雜物的共同作用對(duì)材料耐蝕性的影響研究鮮有報(bào)道。

筆者采用電化學(xué)測試和FeCl3點(diǎn)蝕測試,對(duì)兩種析出相及夾雜物存在明顯差異的商用L80-9Cr鋼的耐蝕性進(jìn)行了對(duì)比研究,利用電子背散射衍射（EBSD）對(duì)鋼中局部塑性變形進(jìn)行了表征,探討了析出相、夾雜物與材料耐蝕性之間的聯(lián)系,以期為指導(dǎo)油氣管材的研發(fā)提供理論基礎(chǔ)。

1. 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為兩種商用L80-9Cr鋼,分別編號(hào)為L-1和L-2,其化學(xué)成分如表1所示,供貨狀態(tài)均為調(diào)質(zhì)處理態(tài)。

利用Jmatpro軟件對(duì)兩種鋼中的相組成進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算。用于顯微組織觀察的試樣尺寸為15 mm×15 mm×10 mm,將試樣打磨拋光后用Zeiss Scope. A1型金相顯微鏡（OM）和JSM 7200F型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察鋼中夾雜物形貌,用配套能譜儀（EDS）分析析出相及夾雜物組成,再用由10 mL HNO3+20 mL HCl+30 mL H2O配制成的溶液對(duì)試樣進(jìn)行侵蝕,采用掃描電鏡觀察顯微組織形貌。將試樣振動(dòng)拋光后進(jìn)行電子背散射衍射（EBSD）測試,加速電壓23 kV,掃描步長0.125 μm,所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)由Channel 5軟件進(jìn)行分析處理。

1.2 電化學(xué)測試

電化學(xué)測試在Gamry 1010E電化學(xué)工作站中進(jìn)行,采用三電極體系,工作電極為兩種商用L80-9Cr鋼,其工作面積為1 cm2,輔助電極為鉑片,參比電極選用飽和甘汞電極（SCE）。試驗(yàn)前,用砂紙逐級(jí)（至800號(hào)）打磨兩種鋼工作面,然后依次用去離子水和酒精沖洗,高壓N2吹干備用。測試溶液采用由去離子水和分析純化學(xué)試劑配制成的3.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）NaCl溶液,試驗(yàn)溫度為（25±1）℃。在開路電位（OCP）下穩(wěn)定1 h后依次進(jìn)行電化學(xué)阻抗譜（EIS）和動(dòng)電位極化曲線測試。阻抗譜測試頻率范圍為10-2～105 Hz；極化曲線掃描初始電位-250 mV（相對(duì)于OCP）,掃描速率為0.5 mV/s。

1.3 FeCl3點(diǎn)蝕試驗(yàn)

按照GB/T 17897-2016《金屬和合金的腐蝕不銹鋼三氯化鐵點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)中A方法,采用FeCl3點(diǎn)蝕試驗(yàn)測試兩種鋼的耐點(diǎn)蝕性能。試驗(yàn)溶液為6%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）FeCl3溶液,試樣尺寸為50 mm×25 mm×3 mm,表面用SiC水砂紙逐級(jí)（至800號(hào)）打磨,然后用去離子水沖洗、酒精擦拭、丙酮除油,冷風(fēng)吹干后放入干燥器中備用。每組試驗(yàn)采用3個(gè)平行樣,浸泡周期為72 h,試驗(yàn)溫度為25 ℃。采用LSM900-ZEISS型共聚焦顯微鏡和SEM觀察腐蝕后試樣的表面形貌,并根據(jù)式（1）計(jì)算局部腐蝕速率[17]。

式中：RL為鋼的局部腐蝕速率,mm/a；h為平均點(diǎn)蝕深度,μm；t為試驗(yàn)周期,d。

2. 結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

經(jīng)過熱力學(xué)計(jì)算,得到了兩種L80-9Cr鋼中平衡相組成與溫度的關(guān)系,如圖1所示。可見,兩種材料在500～800 ℃范圍內(nèi)回火后的平衡相都主要由基體鐵素體相和M23C6型碳化物析出相組成。

圖 1 Jmatpro熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果

Figure 1. Thermodynamic calculation results of Jmatpro software

由圖2可見,兩種材料的顯微組織均為保持馬氏體位向的回火索氏體（鐵素體基體加球狀碳化物）[17],白亮色M23C6型碳化物多沿馬氏體板條束間分布,但L-2鋼中碳化物析出量高于L-1鋼。此外,對(duì)比圖2（b）和（d）可以看出,L-2鋼中夾雜物的數(shù)量明顯高于L-1鋼。

圖 2 兩種L80-9Cr鋼的顯微組織及夾雜物形貌

Figure 2. Microstructure (a, c) and inclusions (b, d) morphology of two L80-9Cr steels

如圖3所示,碳化物析出相中主要合金元素為C、Fe和Cr,且Cr和C原子比接近4∶1,可確定析出相為Cr23C6。而夾雜物主要由O和Al兩種元素組成,其原子比接近3∶2,可確定為Al2O3,為初煉鋼經(jīng)過脫氧后形成[18-19]。

圖 3 L80-9Cr鋼中析出相及夾雜物的EDS譜

Figure 3. EDS spectra of precipitates (a) and inclusions (b) in L80-9Cr steel

進(jìn)一步研究了Cr23C6析出相分布對(duì)組織的影響。如圖4所示,圖中藍(lán)線表示小角度晶界（<10°）,黑線為大角度晶界（>15°）[20],而綠色區(qū)域?yàn)楦呙芏染Ц窕兊拇嬖谖恢谩？梢?兩種材料顯微組織中高密度晶格畸變主要分布于小角度晶界處,且L-2鋼的晶格畸變程度遠(yuǎn)高于L-1鋼。

圖 4 兩種L80-9Cr鋼的EBSD圖

Figure 4. EBSD diagrams of two L80-9Cr steels

2.2 極化曲線

由圖5可以看出：兩種材料的極化曲線相似,陰極極化部分線段均呈現(xiàn)近乎垂直的形態(tài),受氧擴(kuò)散過程控制,發(fā)生氧去極化反應(yīng)；陽極極化部分線段則較為平緩,沒有出現(xiàn)明顯的活化-鈍化轉(zhuǎn)變,主要發(fā)生Fe的陽極溶解[21-22]。

圖 5 兩種L80-9Cr鋼在3.5% NaCl溶液中的極化曲線

Figure 5. Polarization curves of two L80-9Cr steels in 3.5% NaCl solution

進(jìn)一步對(duì)極化曲線Tafel區(qū)進(jìn)行擬合,結(jié)果如表2所示。可見,L-1鋼的自腐蝕電位（Ecorr）和自腐蝕電流密度（J 首頁 上一頁 下一頁 尾頁 第38頁, 共219頁