中國科學院寧波材料所《Acta Materialia》：主動調控鋼鐵滲層結構加速滲鉻

滲鉻是一種重要的表面工程手段，通過在鋼材表面形成富鉻層，可顯著提升機械部件的耐腐蝕、耐高溫和耐磨性能，目前已廣泛應用于深海工程裝備、四代核電等國家重大領域。該技術發明于上世紀20年代，至今已有近百年歷史。然而，不同鋼材在相同滲鉻工藝下表現出的差異長期困擾著研究人員——例如常見的不同不銹鋼形成的滲層厚度可相差數倍，其微觀機制尚未得到系統闡釋，為滲層精細調控帶來嚴峻挑戰。

近期，中國科學院寧波材料技術與工程研究所海洋關鍵材料全國重點實驗室通過研究典型奧氏體不銹鋼體系滲鉻行為，在滲鉻機理與調控這一困擾工業界多年科學問題方面，取得了關鍵突破。團隊選取316和310S不銹鋼作為模型材料，發現在相同滲鉻條件下，316滲層厚度達到了310S的近4倍。為了準確捕捉結構差異，結合不同實驗確定了316會形成連續的粗晶σ相滲層，而310S中未發現該相。σ相是一種脆性相，在不銹鋼中通常被視為“有害組織”。然而在本研究中，σ相的出現反而與滲層厚度的增加直接相關。為解釋這一現象，團隊從熱動力學兩個層面揭示了其內在機制：一方面采用CALPHAD計算分析相穩定性，另一方面借助AI輔助的深度勢能分子動力學模擬，精確模擬原子尺度擴散行為。

計算表明，316中的Mo元素有助于穩定σ相，而310S中的Mn會抑制σ相形成。這一差異決定了σ相僅在316中出現，所形成的粗晶σ相有效抑制了表面碳化物的生長，降低了對Cr擴散的阻礙作用，促進了滲層持續增厚。而后續的氮化處理還可完全將傳統意義上的“有害”σ相完全轉變為目標氮化物，既實現了滲鉻效果的大幅提升，還消除了潛在的不利影響。基于上述機理，團隊提出了一種通過高通量計算優化滲鉻粉末配比來精細調控滲層結構的方法，達到了延長關鍵部件服役壽命的效果。

該項研究不僅解釋了不同鋼材在相同滲鉻條件下表現迥異的原因，更重要的是首次提出了“主動誘導σ相形成以加速滲鉻”的滲層結構調控新思路，為提升苛刻環境下機械部件表面強化與延壽提供了新的策略。研究成果以“Unexpected promoter: Thermokinetic role of sigma phase in accelerating stainless steel chromizing”為題發表于國際期刊Acta Materialia。論文第一作者為徐凱項目研究員，通訊作者為王立平研究員、蒲吉斌研究員和常可可研究員。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2026.122088

圖1.基于“實驗-模擬-機理-調控”思路揭示Sigma相形成熱動力學機理指導通用滲層結構精細調控的全鏈條研究策略

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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