近年來，隨著深海平臺、海水淡化和海底管道等海洋工程裝備的快速發展，海洋裝備在高氯化物濃度、高流速環境中的長期可靠性成為設計的關鍵指標之一 [1]。含 Cr 的海水環境不僅促進點蝕、縫隙腐蝕與應力腐蝕開裂等局部腐蝕，而且在高流速條件下，流體力學作用會通過機械破壞鈍化膜、加速傳質以及帶走腐蝕產物等耦合機制，顯著放大材料的失效風險。鑄造雙相不銹鋼由于其兼具奧氏體的塑韌性和鐵素體的強度，且富含鉻、鉬、氮等元素，具有較高的耐點蝕當量（pitting resistance equivalent number, PREN），特別是超級雙相不銹鋼與超高級雙相不銹鋼牌號，通過提高鉻、鉬、鎢及氮等元素含量獲得了更高的 PREN 值，顯著提升了耐 Cl⁻腐蝕能力，廣泛應用于海洋環境，常用于泵、閥、海底管匯、船用推進器等關鍵部件 [2-3]。

國內外關于 2205、2507 等雙相不銹鋼牌號在海水或氯化物介質中的耐蝕性與電化學行為已有大量報道，多以靜態浸泡或電化學測量為主，集中于單一材料體系或在靜態浸泡條件下的腐蝕行為，但對不同等級和類型不銹鋼在動態沖刷條件下腐蝕機制的對比研究尚顯不足，尤其缺乏對超高級雙相不銹鋼 CD3MWN 在系統試驗條件下的性能評估與機理分析。

基于上述研究現狀與工程需求，本文選取 CD3MN（常規）、CE3MN（超級）、CD3MWN（超高級）3 種雙相不銹鋼及 CN7MS（超級）奧氏體不銹鋼，通過在青島天然海水中進行 216h 的靜態浸泡與 10m/s 流速下的沖刷腐蝕試驗，系統研究其在海洋環境中的腐蝕行為差異。本研究旨在從腐蝕速率、點蝕、微觀形貌及元素分布等多角度揭示材料性能差異，為高抗力海洋裝備關鍵部件的材料選擇與腐蝕防護提供理論依據與數據支持。

1、試驗材料及試驗方法

1.1 試驗材料

實驗材料為 4 種鑄造不銹鋼材料，其中包含 3 種鑄造雙相不銹鋼和 1 種鑄造奧氏體不銹鋼，材料選擇原則見表 1。

表 1 材料選擇原則 

Tab.1 Selection principles of the tested materials

Grade	Type	Features	Standard
CN7MS	Super austenitic	Corrosion-resistant stainless steel	ASTM A744M
CD3MN	Duplex	It is equivalent to 2205 and is currently one of the more widely used duplex stainless steels with extensive applications in petrochemical and offshore oil fields	ASTM A890M
CE3MN	Super duplex	Super duplex stainless steel with extensive applications in petrochemical and offshore oil fields	ASTM A890M
CD3MWN	Hyper duplex	More advanced grade of super duplex stainless steel	ASTM A890M

4 種不銹鋼試驗材料均采用中頻感應電爐 + AOD 進行熔煉，澆鑄成標準基爾試塊，材料牌號、化學成分及其耐點蝕當量（PREN）如表 2 所示。考慮到 W 對不銹鋼耐點蝕指數的影響，耐點蝕指數采用 ASTM A890/A890M-13 標準中的 PREN=% Cr+3.3（% Mo+0.5% W）+16% N 的計算公式。選取每種材料在每種環境中（即海水靜態浸泡和海水沖刷腐蝕）2 個平行試樣，共計 16 個，采用線切割的方法加工成 70mm×25mm×3mm 試樣，并鉆 6mm 中心孔。

表 2 試驗鋼主要化學成分 

Tab.2 Chemical composition of the tested steels（質量分數 /%）

Grade	C	Si	Mn	Cr	Ni	Mo	W	N	Cu	PREN
CN7MS	0.047	2.96	0.47	18.81	22.61	2.70	/	/	1.79	27.72
CD3MN	0.018	0.64	0.51	21.72	5.35	2.70	/	0.16	0.22	33.19
CE3MN	0.017	0.81	0.64	24.42	7.24	4.14	/	0.12	/	39.87
CD3MWN	0.026	0.85	1.22	27.24	6.18	2.38	3.22	0.37	0.02	46.30

1.2 試驗方法

海水浸泡試驗方法參照標準 ASTM G31-21《金屬實驗室全浸腐蝕試驗標準》推薦方法，將試樣的工作表面用去離子水清洗后，用無水乙醇脫水，在烘箱中恒溫 60℃干燥 24h，稱重，記錄試驗前試樣質量。試驗槽中充滿新鮮海水，海水取自青島海域，試驗期間海水平均溫度為 17.8℃，平均溶解氧濃度為 7.8mg/L，鹽度為 31.5%，pH 值為 7.8。將試樣懸掛全浸于海水中，每隔 7 天更換海水。試驗結束后，取出試樣進行酸洗、烘干、稱重，腐蝕產物的去除參照標準 GB/T16545-1996《金屬和合金的腐蝕 腐蝕試樣上腐蝕產物的清除》，計算失重率。

海水沖刷試驗采用如圖 1 所示的沖刷腐蝕實驗裝置，該試驗機結構簡單，數據可比性強，沖刷最高線速度達 10m/s，裝置由電機驅動試驗腔內的試樣盤以設定速度旋轉，通過調控旋轉速度模擬海水沖刷作用。試驗腔內部設有導流擋板，可有效抑制旋轉過程中因液流擾動產生的渦流現象，提升沖刷分布的均勻性。試驗過程中采用不含固體顆粒的新鮮海水，并通過系統設計避免了局部高壓差的產生，從而有效避免了引發空泡形成的條件，使試驗能夠專注于研究流動海水作用下的沖刷腐蝕行為。

試驗在試樣正中部位鉆直徑 6mm 的孔，用 M6 的螺桿將其固定在試樣托盤上，試驗前將試樣的工作表面用去離子水清洗，用無水乙醇脫水，在烘箱中恒溫 60℃干燥 24h，稱重，記錄試驗前試樣質量。利用旋轉沖刷腐蝕試驗裝置進行試驗，試驗采用新鮮海水，流速為 10m/s，不含沙，試驗周期為 216h。

1.3 檢測方法

采用 Zeiss Ultra55 場發射型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察試樣表面的微觀形貌，并分析試樣表面成分（EDS），采用 HIROX KH-8700 三維視頻顯微鏡觀察除銹后試樣的表面形貌，并測量點蝕深度。

2、試驗結果與討論

2.1 表面形貌

圖 2 和圖 3 分別展示了 4 種試驗鋼在 216h 靜態浸泡腐蝕后的宏觀腐蝕形貌。靜態腐蝕條件下，各材料表面整體保持較好完整性，未見明顯腐蝕產物附著或金屬剝蝕痕跡，僅在 CN7MS 和 CD3MN 表面出現輕微黑褐色斑塊，經過清洗后，4 種不銹鋼表面均表現出金屬光澤，表明鈍化膜依然完整，具備較強的抗 Cl⁻穿透能力。

2.2 成分分析

為進一步探明腐蝕過程中元素分布變化，對試驗前、靜態浸泡試驗后和沖刷腐蝕試驗后的試樣表面進行能譜分析，表 3 為 4 種試驗鋼在不同條件下的主要元素含量對比。在氯化物環境中，影響點蝕的主要合金元素為鉻、鉬和氮，4 種試驗鋼在靜態海水中試樣表面 Ni 和 Cr 的含量均高于在流動海水中的 Ni、Cr 含量，Cr 和 Ni 均可以和 O²⁻和 OH⁻形成使鈍化膜更加穩定的氧化物和氫氧化物，是影響不銹鋼點蝕形核的主要合金元素，表明流動海水沖刷對材料表面鈍化膜的耐點蝕性能造成了明顯影響。

其中，CD3MN、CE3MN 和 CD3MWN 為雙相不銹鋼，含有較高質量分數的鉻、鉬及氮元素，PREN 值普遍在 35 以上，氮元素的引入能夠顯著提高鋼的點蝕電位，通過固溶強化和穩定鈍化膜，進一步增強其耐局部腐蝕性能。資料顯示 [15]，硅、錳和氮等元素能提高鋼的耐沖刷腐蝕能力，而過高的鎳卻不利于鋼的耐沖刷腐蝕。流動的海水不僅能破壞金屬上的鈍化膜顯著加速腐蝕，還可能伴隨著海水中顆粒的沖刷 [12]，從而導致金屬的沖蝕和剝落，當金屬表面的硬度高于顆粒時，沖蝕速率顯著降低 [14]，因此一般來講，高硬度的金屬更耐沖刷腐蝕。

CD3MWN（超高級）雙相不銹鋼具有 3.22% 的 W 含量，與其余 3 種不銹鋼相比，其硬度達到了 290HB。盡管 CN7MS 為高鎳奧氏體不銹鋼，含鉻量和含鉬量達到了 18.81% 和 2.70%，但由于缺乏氮元素的強化，其 PREN 值略低于雙相不銹鋼，且單一奧氏體組織對 Cr 的局部腐蝕抗力稍弱，導致其點蝕深度最大。

表 3 4 種試樣鋼在不同條件下主要元素含量對比 

Tab.3 Comparison of the main element contents of the four steels under different conditions（質量分數 /%）

Grade	Condition	Si	Cr	Mn	Ni	Mo	W	Cu
CN7MS	Static immersion	3.07	19.87	0.88	22.14	2.89	/	1.39
	Erosion corrosion	3.28	19.56	0.87	21.99	3.04	/	1.54
CD3MN	Static immersion	0.71	22.32	0.65	5.00	2.82	/	0.21
	Erosion corrosion	0.80	21.83	0.72	4.59	2.75	/	0.20
CE3MN	Static immersion	1.09	25.48	0.87	7.06	4.30	/	/
	Erosion corrosion	1.09	24.95	0.76	6.61	4.66	/	/
CD3MWN	Static immersion	0.89	27.88	2.74	6.83	2.49	3.66	0.02
	Erosion corrosion	0.94	27.39	2.81	6.65	2.83	4.13	0.02

2.3 三維形貌及點蝕深度

對 4 種試驗鋼在海水浸泡試驗和海水沖刷試樣后的點蝕坑形貌進行三維形貌觀察和點蝕坑深度測量，其中試驗鋼在靜態海水浸泡條件下的三維形貌如圖 6，在海水沖刷條件下的三維形貌如圖 7，在兩種條件下的最大點蝕深度如表 4 所示。

表 4 試驗鋼海水腐蝕試驗最大點蝕深度 

Tab.4 Maximum pitting depths of the tested steels in the seawater corrosion tests（單位：μm）

Test type	CN7MS	CD3MN	CE3MN	CD3MWN
Static Immersion	11.84	9.55	13.64	10.09
Erosion Corrosion	14.27	10.70	16.48	9.72

從點蝕坑深度來看，4 種試驗鋼材料在海水沖刷腐蝕條件下的最大點蝕深度均大于或接近于靜態浸泡條件，表明流動海水環境強化了腐蝕過程，尤其在點蝕坑的擴展階段起到了加速作用。可以看到，4 種試樣鋼的最大點蝕深度與 PREN 值并不完全吻合，這可能是由于耐點蝕當量計算中只考慮了 Cr、Mo、W、N 元素的作用，而實際上，C、P、S、Mn 等其他元素對耐蝕性也有影響，一般來說，C、P、S 元素含量越高，材料的耐蝕性越差。除化學成分之外，材料的耐蝕性還與其組織結構及表面質量等因素有關，組織不均勻、奧氏體與鐵素體兩相比例不合理、二次相析出、材料表面缺陷等對雙相不銹鋼的耐蝕性都有不利影響。

值得注意的是，CD3MWN 在沖刷腐蝕條件下的最大點蝕深度（9.72μm）略低于靜態浸泡條件下的最大點蝕深度（10.09μm），這一結果與其他 3 種試驗鋼的變化趨勢不同。首先，CD3MWN 含有較高的 Cr（27.24%）、W（3.22%）及 N（0.37%）等強化元素，其 PREN 值高達 46.3，在沖刷環境中具有更強的再鈍化能力和點蝕抑制效應。其次，流動海水的高剪切應力可在一定程度上清除腐蝕產物及局部 Cl⁻富集區，從而削弱點蝕坑的進一步擴展。同時較高的硬度（約 290HB）可降低流體對表面的機械剝蝕速率。上述因素共同導致在沖刷作用下雖然整體腐蝕速率增加，但點蝕擴展被抑制，形成 “宏觀腐蝕加劇、微觀點蝕受限” 的結果。表明高 PREN 雙相不銹鋼在高流速海水中的失效機制主要由膜破壞 - 再鈍化競爭主導，而非單純的點蝕深化過程。

從點蝕坑的形貌來看，在靜態浸泡條件下，4 種試驗鋼基體表面呈現明顯的機械加工紋理，具備良好的初始平整度，表明腐蝕過程較為緩和，主要為局部鈍化膜的破壞所致，未引起基體大面積均勻腐蝕或機械擾動。表面點蝕坑形態不規則，呈現非對稱結構，點蝕坑邊界模糊，表面較為粗糙。

在海水沖刷條件下，試驗鋼基體表面原有的條紋結構基本消失，整體表面趨于均質粗糙狀態，但表面平整度降低，這一現象表明沖刷作用顯著改變了材料表面的物理形貌，可能是由于流動介質對表面產生持續的剪切力，破壞了原有的表面紋理。另一方面，在沖刷作用下腐蝕產物被及時帶走，避免了局部阻礙腐蝕的 “保護性沉積”，使腐蝕區域不斷擴展并趨于均勻。此外，沖刷作用還可能促進微觀尺度上的機械剝蝕與脫落，造成表面結構的進一步破壞。腐蝕坑呈近似圓形的規則形貌，輪廓清晰、邊緣整齊，整體坑壁較為陡峭，中央區域則呈明顯塌陷狀態，與靜態浸泡條件下的點蝕坑相比，形貌更加規整，點蝕坑邊緣沒有明顯的腐蝕產物堆積，沖刷流體加快了新鮮 Cl⁻的流動傳質，導致局部鈍化膜持續減薄、破裂，間接促進了腐蝕坑的快速發展，這一趨勢與點蝕坑的試驗結果相一致。點蝕坑兩側呈現對稱分布的亮白色帶狀區域，這可能是由于在沖刷過程中，局部高速海水對腐蝕坑邊緣進行沖刷，使得該區域表面較周圍更為平滑，因此在圖像中表現為亮白色。與雙相不銹鋼相比，CN7MS 表面點蝕坑更密集，呈現高密度、小尺寸的腐蝕特征，多個點蝕坑沿同一方向排列，符合沖刷腐蝕的方向特征。

總體來看，靜態浸泡條件下的腐蝕主要表現為腐蝕產物的積聚和鈍化膜局部失效，點蝕坑形貌表現出不規則、粗糙的坑底特征。而在海水沖刷環境中，腐蝕過程則更趨于穩定且劇烈，點蝕坑呈現出清晰邊界與較大深度。由此可見，流動海水環境對材料的局部腐蝕行為具有加劇作用，應在實際工程中予以重點防護和控制。

2.4 腐蝕速率

表 5 是 4 種試驗鋼試驗 216h 后的靜態海水浸泡和沖刷腐蝕實驗后的失重率和腐蝕速率。從試驗結果來看，4 種鑄造不銹鋼在青島海水環境下的失重率差別不明顯，腐蝕速率幾乎沒有差別，由于 4 種材質均為高合金奧氏體或雙相不銹鋼，具有較高的耐點蝕當量值，因此在海水氯離子環境中表現出良好的耐腐蝕性能。

表 5 試驗鋼海水腐蝕試驗失重率和腐蝕速率 

Tab.5 Weight loss and corrosion rates of the tested steels in the seawater corrosion tests

Test Type	Result	CN7MS	CD3MN	CE3MN	CD3MWN
Static Immersion	Weight loss rate/%	0.0020	0.0016	0.0011	0.0018
	Corrosion rate/(mm/a)	0.0011	0.0009	0.0010	0.0010
Erosion Corrosion	Weight loss rate/%	0.6781	0.5346	0.4746	0.2517
	Corrosion rate/(mm/a)	0.4055	0.3018	0.2535	0.1461

在 10m/s 海水沖刷條件下，4 種試樣鋼失重率和腐蝕速率均顯著上升，反映其鈍化膜在高剪切應力下無法有效維持，發生持續溶解反應。其中 CN7MS 的腐蝕速率最高，為 0.4055mm/a，CD3MWN 的腐蝕速率最小，為 0.1461mm/a，由前文可知，高硬度也是 CD3MWN 腐蝕速率最小的原因之一。

將腐蝕速率與三維點蝕深度對比分析發現，二者之間并不存在嚴格的一一對應關系。腐蝕速率主要反映材料在整個表面上的平均溶解程度，而點蝕深度則更能體現局部區域的膜破壞程度和穿孔風險。在本研究中的 216h 腐蝕周期內，4 種試驗鋼在沖刷腐蝕條件下的腐蝕速率均顯著高于靜態浸泡條件，說明流動海水顯著增強了腐蝕介質的傳質效應，增強了氧的擴散、加快了腐蝕產物的脫落和氯離子的持續供給，從而大大提升了腐蝕反應速率，促使失重和腐蝕速率增大。

值得注意的是，雖然 CE3MN 在沖刷條件下具有最大的點蝕深度（16.48μm），但其腐蝕速率（0.2535mm/a）并非最高；相反，CN7MS 在沖刷條件下的腐蝕速率（0.4055mm/a）最高，但最大點蝕深度僅為 14.27μm。這一現象進一步表明，局部點蝕行為受材料表面膜穩定性、微觀組織均勻性及腐蝕產物堆積特性的綜合影響，不能單純以腐蝕速率評估點蝕敏感性。

3、結論

(1) 4 種鑄造不銹鋼在靜態海水環境下均表現出良好的耐蝕性，腐蝕速率在 0.0010mm/a 左右，表面鈍化膜穩定，點蝕深度較淺，未見顯著腐蝕產物聚集，說明在無流動擾動條件下，4 種不銹鋼具有優異的抗海水腐蝕性能。

(2) 在 10m/s 流速的沖刷腐蝕條件下，4 種材料的腐蝕速率顯著上升，說明沖刷作用顯著削弱了表面鈍化膜的穩定性，加速了腐蝕反應過程。CN7MS 的腐蝕速率最大（0.4055mm/a），CD3MWN 的最小（0.1461mm/a），反映出高 PREN 值和 W 元素的協同作用對提升耐沖刷腐蝕能力具有顯著效果。

(3) 點蝕深度與腐蝕速率之間不存在嚴格對應關系。點蝕行為受多種因素綜合影響，包括合金成分、組織結構均勻性及表面缺陷等。靜態腐蝕條件下的點蝕坑呈非規則、不對稱結構，而沖刷條件下的點蝕坑形貌更規則，邊界清晰，呈現典型沖刷腐蝕特征。

(4) 與其他 3 種不銹鋼材料相比，CD3MWN 表現出最優的耐海水腐蝕性能，適合作為高流速海洋環境下的關鍵結構材料。

參考文獻

[1] 陳亞濤，鄭霏，寇成。特超級雙相不銹鋼 CD3MWN 的組織和性能研究 [J]. 材料開發與應用，2020，35 (3)：1-5+15. CHEN Y T，ZHENG F，KOU C. Study on microstructure and properties of hyper duplex stainless steel CD3MWN [J]. Development and Application of Materials，2020，35 (3)：1-5+15.

[2] ZHANG X M，CHEN Z Y，LUO H F，ZHOU T，ZHAO Y L，LING Z C. Corrosion resistances of metallic materials in environments containing chloride ions: A review [J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2022，32 (2)：377-410.

[3] LUO H，DONG C F，LI X G，XIAO K. The electrochemical behaviour of 2205 duplex stainless steel in alkaline solutions with different pH in the presence of chloride [J]. Electrochimica Acta，2012，64：211-220.

[4] XU Y Z，ZHANG Q L，ZHOU Q P，GAO S，WANG B，WANG X N，HUANG Y. Flow accelerated corrosion and erosion-corrosion behavior of marine carbon steel in natural seawater [J]. npj Materials Degradation，2021，5 (1)：56.

[5] FRANCIS R，BYRNE G. Duplex stainless steels-Alloys for the 21st century [J]. Metals，2021，11 (5)：836.

[6] KHUNPHAKDEE P，CHALERMSINSUWAN B. Review of flow accelerated corrosion mechanism，numerical analysis，and control measures [J]. Chemical Engineering Research and Design，2023，197：519-535.

[7] 王子睿，包曄峰。雙相不銹鋼堆焊層金屬的空化腐蝕行為及影響因素研究進展 [J]. 電焊機，2020，50 (9)：161-169. WANG Z R，BAO Y F. Research progress on the cavitation corrosion behavior of duplex stainless steel surfacing layers and influence factors [J]. Electric Welding Machine，2020，50 (9)：161-169.

[8] 張鵬，龐午驥，尚峰，李化強. SAF2507 超級雙相不銹鋼耐腐蝕性能的研究現狀 [J]. 熱加工工藝，2018，47 (14)：23-26. ZHANG P，PANG W J，SHANG F，LI H Q. Research status of corrosion resistance of SAF 2507 super duplex stainless steel [J]. Hot Working Technology，2018，47 (14)：23-26.

[9] REN Z H，FANG L Z，WANG H，DING P，ZENG X T. Seawater corrosion resistance of duplex stainless steel and the axial compressive stiffness of its reinforced concrete columns [J]. Materials，2023，16 (23)：7249.

[10] 吳玖，姜世振。雙相不銹鋼 [M]. 北京：冶金工業出版社，1999. WU J，JIANG S Z. Duplex Stainless Steel [M]. Beijing：Metallurgical Industry Press，1999.

[11] 邢少華，彭文山，錢曉，李相波，馬力，張大磊。海水流速對經拋光和鈍化表面處理的 2205 不銹鋼點蝕的影響 [J]. 中國腐蝕與防護學報，2024，44 (3)：658-668. XING S H，PENG W S，QIAN Y，LI X B，MA L，ZHANG D L. Effect of seawater flow velocity on pitting corrosion of 2205 stainless steel with different surface treatments [J]. Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection，2024，44 (3)：658-668.

[12] YI J Z，HE S Y，WANG Z B，HU H X，ZHENG Y G. Effect of impact angle on the critical flow velocity for erosion-corrosion of 304 stainless steel in simulated sand-containing sea water [J]. Journal of Bio- and Tribo-Corrosion，2021，7 (3)：99.

[13] 周啟票。海洋工程用碳鋼的沖刷腐蝕耦合損傷機理研究 [D]. 大連：大連理工大學，2021. ZHOU Q P. Study on erosion-corrosion coupling damage mechanism of carbon steel used in offshore engineering [D]. Dalian：Dalian University of Technology，2021.

[14] R・溫斯頓・里維。尤利格腐蝕手冊 [M]. 楊武，等譯。北京：化學工業出版社，2005. REVIE R W. Uhlig's Corrosion Handbook [M]. YANG W，et al translate. Beijing：Chemical Industry Press，2005.

[15] NITHINRAJ P，RAHA B，SEKAR K，JOSEPH M. Effect of manganese on synergistic erosion-corrosion characteristics of A890 7A hyper duplex stainless steels [J]. Journal of Materials Engineering and Performance，2022，31 (1)：11-23.

[16] 秦明花，鄭文杰，張雪冰，朱玉亮，宋志剛。金屬材料在水流體中的沖刷腐蝕研究現狀 [J]. 材料保護，2022，55 (11)：169-177. QING M H，ZHENG W J，ZHANG X B，ZHU Y L，SONG Z G. Research status of erosion-corrosion of metal materials in water fluid environment [J]. Materials Protection，2022，55 (11)：169-177.

[17] 夏江敏，李竹影，王曉強，陳頁希，林育鋒。鋼在流動人造海水中的沖刷腐蝕行為與防護研究 [J]. 表面技術，2021，50 (11)：306-312. XIA J M，LI Z Y，WANG X Q，CHEN Y X，LIN Y F. Study on erosion and corrosion behavior and protection of steel in flowing artificial seawater [J]. Surface Technology，2021，50 (11)：306-312.

（注，原文標題：鑄造不銹鋼耐海水腐蝕試驗研究）

---

tag標簽:鑄造不銹鋼

---