【特材知识】盐酸对Hastelloy B-3的腐蚀影响

【特材知识】盐酸对Hastelloy B-3的腐蚀影响
盐酸属还原性强酸，大多金属或合金在盐酸介质中都会因活化腐蚀而溶解，工程耐盐酸腐蚀材料仅限于Ti、Zr、Ta、Nb、W以及镍基耐蚀合金。HastelloyB-3是目前耐还原性介质腐蚀最好的镍基耐蚀合金，已广泛应用于醋酸生产工艺及盐酸储存装置。通过不同浓度与温度盐酸中的浸泡腐蚀试验与电化学试验，研究浓度与温度对B-3合金腐蚀行为，了解B-3的材质性能。
盐酸浓度对B-3腐蚀速率的影响
图4.1为80℃下，HastelloyB-3在5%、15%、20%、30%、37%不同浓度盐酸中的腐蚀速率。
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图4.1（a）为80℃，HastelloyB-3腐蚀速率随盐酸浓度的变化，随着盐酸浓度提高，腐蚀速率上升，浓度低于20%，上升缓慢；高于20%上升速度加快。由图4.1（b）为80℃，HastelloyB-3每个周期腐蚀速率随盐酸浓度的变化。同一盐酸浓度下，随着试验时间延长，腐蚀速率变化不大，表明腐蚀过程中，合金表面状态比较稳定。37%盐酸中HastelloyB-3腐蚀速率仍然低于0.55mm/a，表明在纯盐酸中具非常好的耐蚀性。
图4.2 是80℃中 Hastelloy B-3在5%、15%、20%、30%、37%不同盐酸浓度中浸泡144h后的微观腐蚀形貌。
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5%HCl中晶界处、孪晶界处处有轻微的腐蚀痕迹，碳化物没有腐蚀；15%HCl中晶界和孪晶处有较轻的腐蚀痕迹，并且晶界处的碳化物明显脱落；20%HCl中可以看到明显的碳化物带，晶界和孪晶界有明显的腐蚀，并且碳化物脱落，形成明显的点蚀源头；30%HCl中晶内的碳化物明显脱落，发生明显点蚀现象；37%HCl中点蚀进一步扩展，点蚀的数量和尺寸明显增加。
碳化物带处容易形成元素的富集，造成能量的升高，腐蚀行为优先发生。同时由于碳化物为富钼相，碳化物的脱落造成周围钼元素的贫瘠，钝化膜进一步遭到破坏，从而使腐蚀进一步扩展。随着盐酸浓度的上升，晶界和碳化物带的腐蚀痕迹明显加深。随着盐酸浓度逐渐上升，腐蚀痕迹逐渐加深，点蚀程度逐渐加深。
盐酸浓度对B-3电化学行为的影
图4.3为室温下，Hastelloy B-3在5%、15%、20%、30%、37%HCl中的极化曲线。
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由图4.3可以看出，随着盐酸浓度逐渐升高，极化曲线整体下移，自腐蚀电位下降，过钝化电位下降，但钝化区长度与斜率变化不大，钝化电流密度也未显著增加，表明随着盐酸浓度升高，合金表面钝化膜的状态比较稳定。同时钝化区域电流密度逐渐增加，即在相同的钝化电位下，钝化电流密度逐渐增加，钝化膜稳定性逐渐下降。钝化膜稳定性下降，材料在盐酸中的腐蚀速率逐渐增加。
图4.4为HastelloyB-3在室温下，不同浓度盐酸中电化学实验后的微观腐蚀形貌。
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由图4.4可以看出，位于晶界处的碳化物首先脱落形成点蚀的源头，并且随着电化学实验的进行，点蚀坑深度逐渐增大。在低浓度的盐酸中，材料有明显的点蚀坑，晶界和孪晶界并不明显；随着盐酸浓度升高，材料中有明显的点蚀坑，晶界和孪晶界也有明显被腐蚀的痕迹。
在盐酸环境中，材料碳化物和晶界容易形成元素的富集，造成能量的升高，在腐蚀过程中容易形成“大阴极小阳极”的现象，腐蚀容易在晶界处发生。碳化物为富钼相，碳化物的溶解造成周围区域钼元素的贫瘠，钝化膜稳定性进一步遭到破坏，从而使腐蚀进一步发展。
温度对B-3腐蚀速率的影响
图4.5为15%HCl中，Hastelloy B-3在室温、40℃、60℃、80、98℃条件下的腐蚀速率。
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图4.5（a）为腐蚀速率随温度变化曲线，当温度低于60℃时，腐蚀速率增加缓慢，当温度大于60℃时，腐蚀速率急剧增加。98℃下，15%HCl中，HastelloyB-3的腐蚀速率为0.31mm/a，具有一定的耐蚀性能。图4.5（b）为每个周期腐蚀速率的变化曲线，随着时间的延长，室温、40℃、60℃、80℃条件下，腐蚀速率基本不变；98℃条件下，腐蚀速率有小幅下降。
图4.6为15%HCl中，Hastelloy B-3 在室温、60℃、80℃、98℃不同温度浸泡144h 后的微观腐蚀形貌。
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在室温条件下，晶界和孪晶界有轻微腐蚀痕迹，碳化物未被腐蚀；在60℃下，晶界和孪晶界有较轻的腐蚀痕迹，碳化物脱落，形成点蚀的源头；在80℃下，晶界和孪晶界有明显腐蚀痕迹，碳化物脱落，出现点蚀现象；在98℃下，晶界和孪晶界腐蚀痕迹进一步加深，碳化物大量脱落，出现严重点蚀。
温度对B-3电化学行为的影响
图4.7在15%HCl中，Hastelloy B-3在不同温度中的极化曲线。
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随着温度上升，合金的自腐蚀电位逐渐升高，过钝化电位下降，钝化区区域变短，试样很容易进入过钝化区，形成过钝化腐蚀；钝化区曲线斜率减小，电位变化对电流影响增大，钝化膜稳定性减弱。
图4.8为不同温度条件下，HastelloyB-3在15%HCl中的微观腐蚀形貌。
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图4.8可以看出，经过电化学实验，材料中的析出物脱落，形成了点蚀的源头。在室温条件下，晶界、孪晶界和碳化物明显腐蚀。随着温度上升，晶界和孪晶界腐蚀痕迹明显加深，点蚀坑数量和尺寸明显增加。
HastelloyB-3试验的总结
实验结果可以看出，盐酸浓度和溶液温度对HastelloyB-3腐蚀速率和极化曲线的影响有相似的地方，其中包括：
      ①盐酸浓度升高或者温度上升，材料的腐蚀速率增加；
      ②盐酸浓度升高或者温度上升，钝化区域变窄，钝化区曲线斜率变小；
      ③盐酸浓度升高或者温度上升，过钝化电位下降；
      但两者对极化曲线的影响是相反的，主要区别如下：
      ①盐酸浓度升高，自腐蚀电位下降；
      ②溶液温度升高，自腐蚀电位也增加。
      因此，两者对HastelloyB-3在盐酸中的腐蚀影响程度是不同，与盐酸浓度相比，温度是相对更重要的影响因素。因为温度升高使自腐蚀电位升高的同时，也使过钝化电位下降，两者之间的钝化区域必然变窄。而盐酸浓度使自腐蚀电位下降的同时也使过钝化电位下降，钝化区域没有明显变化。即对于Hastelloy B-3，温度对极化曲线的影响程度大于盐酸浓度。