自然环境腐蚀研究室

【研究室成员介绍】

    李晓刚  张津  吴俊升  曹江利  何积铨  王德仁  马宏驰  连勇  常月  马菱薇

 

【研究室主要研究内容及科研成果】

  1、主持建设了我国新时期规范化的材料环境腐蚀野外试验站网与评价技术体系

  牵头建立的国家材料环境腐蚀平台在国家科技部和财政部的共同领导和支持下,2011年首批被科技部财政部认定为23国家科技基础条件平台之一,成为了向全球开放的公益性试验研究基地和数据共享平台。依托该平台,建立了我国新时期“材料自然环境腐蚀试验与评价技术体系”的基础,包括:①、建成了由31个试验站组成的新时期国家材料野外环境腐蚀试验平台,包括15个大气、9个土壤和7个水环境腐蚀试验站,西起库尔勒,东到舟山岛,北起漠河,南至南沙,覆盖了我国典型大气、海水和土壤环境区带;②、制定了我国材料野外环境腐蚀试验规程与评价技术新体系,不仅有效提升了我国自然环境腐蚀试验标准化水平,而且弥补了国际上的不足之处,例如吐鲁番干热大气暴露试验场及其评价规程弥补了国际上缺乏干热大气腐蚀试验与规程的不足;③、发展了系列化的基于室内外腐蚀机理一致性的大气、土壤和海洋环境室内加速腐蚀新技术,建立的严酷大气和海洋环境、盐渍和酸性土壤环境加速腐蚀载荷谱系列技术成为了材料环境腐蚀评价技术体系中最重要的组成部分。近5年,平台建设与运行服务取得显著成效,为包括岛礁建设、大型水利水电工程、跨海大桥、核电工程等大型工程的建设和运行提供了全面的支持服务。通过长期系统的材料环境腐蚀试验与数据积累,为大型飞机载人航天与探月工程等国家科技重大专项关键材料选材及寿命评价作出了重大贡献。国家材料环境腐蚀平台已成为具有世界先进水平的材料腐蚀野外观测研究试验基地和数据共享平台。

  

  2、材料大气环境腐蚀规律与机理研究

  大气腐蚀涉及发生在气相、液相和固相界面间的化学、电化学以及物理的过程,非常复杂。国家材料环境腐蚀野外科学观测研究平台已在我国13个典型大气环境中积累了19种黑色金属、29种有色金属的长期腐蚀数据。在Corrosion Science等刊物发表论文50余篇,发明包括专利一种微量腐蚀性气体环境试验箱等系列化大气腐蚀评价方法及设备10余台套,出版专著《金属大气腐蚀初期行为与机理》等4本专著,2009年获得国家科技进步二等奖。

  

  3、材料海洋环境腐蚀评价与防护技术研究

  瞄准材料海洋腐蚀与防护领域的迫切需求,围绕野外试验-数据积累-机理规律-标准制定-防护技术-共享-工程应用等腐蚀与防护学科独有的全链条研究体系,通过长期基础性研究与公益性服务,基于国家级海洋腐蚀试验平台,系统阐明了我国海洋环境腐蚀失效规律和机理,建立了我国材料海洋环境腐蚀评价与防护技术新体系,有效提高了海洋重大工程及装备设施的安全性和使用寿命。项目实现了海洋环境腐蚀评价技术系列化创新,海洋腐蚀基础研究和综合防护技术在包括荔湾3-1 30 余座海洋平台和海工装备、航空航天、舰船、武器型号等领域获得了广泛应用。获得授权专利10余项,发表论文50余篇,出版海洋腐蚀方面专著3部,2016年获得国家科技进步二等奖。

  

  4、腐蚀大数据及计算模拟研究

  基于国家材料环境腐蚀平台长期的野外试验研究,积累了大量材料环境腐蚀数据,建成了我国数据量最大、内容最为丰富的材料腐蚀数据库,创建了国家级腐蚀数据共享服务平台。提出了“腐蚀大数据”科学概念,建立了腐蚀数据大通量无线采集、处理与共享的新模式;建立了系列化腐蚀大数据挖掘方法,由此阐明了若干材料环境腐蚀机理的新认识,腐蚀形貌演变动力学多尺度模拟与仿真为材料腐蚀基因组工程研究做了有益探索和示范作用;发展了材料腐蚀寿命大数据挖掘模型,并应用于电力、管道、石油化工等领域装备寿命评估工程中。出版了国内外首部“材料腐蚀信息学”专著,并以“corrosion data share”为主题在《nature》期刊发表了评述性研究论文,系统提出了“腐蚀大数据”概念及其理论框架与技术模式。研究成果“材料环境腐蚀数据信息系统创新与工程应用”,获2015年中国腐蚀与防护学会科技进步一等奖、2016年教育部科技进步一等奖和2015年美国国际腐蚀工程师协会杰出机构奖。

  

  5、新型耐腐蚀结构钢开发及评价研究 

  基于腐蚀平台长达16年海洋环境长期腐蚀试验,摸清了合金元素种类和含量对低合金钢腐蚀行为的宏观影响规律,在此基础上,在国际上率先利用先进的微区腐蚀相电化学技术在微纳观尺度上系统研究了苛刻腐蚀环境(热带海洋和酸性介质)条件下低合金钢基体组织、相结构和焊接组织腐蚀电化学机理,系统获得了微米级夹杂物和纳米级析出相诱发局部腐蚀的冶金学因素、环境学因素和电化学机制,研究成果在《Corrosion Science》等腐蚀权威期刊系列发表论文30余篇。利用夹杂物微区腐蚀电化学技术及微纳米尺度的组织调控新技术,提出了基于微区相电化学不均匀性的稀土元素调控微米级复合夹杂物低合金耐蚀钢设计思路,证实了通过改善钢中夹杂物或析出相的尺寸可以有效降低钢的氢脆及腐蚀疲劳的敏感性新现象。基于上述机理研究创新,形成了夹杂物控制、板型控制及耐蚀性能评价等关键生产工艺控制技术,发明了具有自主知识产权的Q415NH-BH新型滨海地区免涂装耐腐蚀结构钢,研制了690MPa级超高强度海洋工程用钢板、HRB500级耐蚀钢筋等系列新型海洋工程用钢,解决了严酷海洋环境中海洋工程用钢焊接组织腐蚀的难题。南钢、鞍钢生产的新型系列耐腐蚀结构钢已形成了产业化规模,部分品种打破了国外钢厂垄断,已应用在跨海大桥、滨海建筑、海底隧道等国家重点项目工程,部分钢种还成功出口。研究成果获得2017年度江苏省科技进步一等奖,李晓刚教授获得2017年美国国际腐蚀工程师协会颁发的“杰出技术贡献奖”。

  

表面防护工程研究方向:

  1、钛合金表面改性及涂层制备技术

  钛合金因具有优异的综合力学性能在航空、航天、船舶、石油、化工、兵器、电子等行业得到高度重视和广泛应用,利用微弧阳极氧化、离子氮化、 阴极等离子处理、热氧化工艺,对钛合金进行表面改性和涂覆涂层,提高钛合金基体的耐磨、抗氧化和防污自洁净等性能,已在Surface and Coatings Technology等国内外期刊上发表论文10余篇。

  

  2、残余应力表征与消减控制技术

  利用钨靶短波长特征X射线衍射技术(SWXRD),实现对材料内部织构以及残余应力的定点无损检测,可实现镁合金、铝合金、钛合金最大厚度分别为70mm40mm9mm残余应力的无损定点测试,相关测试结果与中子衍射法测试结果一致;拥有二维面探表面应力测试仪,可以快速测定表面残余应力;针对所测得残余应力分布,可以提供残余应力消减均化方案,为高精密制造、高精仪器设备的研发提供坚实的基础保障。研究获得国家科技部863项目、国家自然科学基金及科技部重点研发计划和大型科学仪器设备开发等项目支持,相关测试技术与方法处于国内外领先。相关学术成果在Journal of Materials Science等国内外期刊发表。

  

  

  3、长寿命身管用耐热耐磨钢材料技术

  身管是速射武器最核心的部件,同时承受高温、高压、高速腐蚀性火药燃气烧蚀冲刷、交变载荷挤压和磨损多因素综合作用。针对此工况,采用低碳、多元复合合金化,实现宽温限范围内析出多种类、多尺度稳定碳化物。研制新材料700℃高温强度为同类材料1.5~2倍,600~700℃高温磨损量为现用材料1/5~1/2,材料已在部分型号上得以推广应用。

  

  4、多元复合共渗耐磨耐蚀涂层技术

  利用NCOBRE等多元活性元素共渗实现合金钢表面多元复合共渗改性处理(MEDT),显著提升室温及高温耐磨性能。形成耐磨渗层同时在渗层表面可形成致密氧化膜,提升耐蚀性能。

  

  5、耐海洋腐蚀高强度钢及涂层防护技术

  研制出一种强度1800MPa级同时兼具优异韧性、优良耐腐蚀性能的新型马氏体时效不锈钢,并建立了合理的热处理规范。将纳米层状石墨烯应用于富片锌基涂料形成纳米-微米层状共轭结构长效耐蚀涂层,耐中性盐雾试验达2000以上。申请专利2项,相关研究成果已发表在Mater. Sci. Eng. A等期刊。

  

  6、煤化工设备腐蚀机理及防护技术

  气化炉运行过程中夹套可能发生氧化、硫化、碳化、硫化-氧化腐蚀、剥离性腐蚀、磨蚀-腐蚀等复杂的腐蚀类型。如果控制不当,多数腐蚀类型均可引起夹套金属材料的大量损耗,使得腐蚀类型转变为灾难性腐蚀(catastrophic loss corrosion)。为此,综合研究了各类不同金属材料,如:800601310RA-333LM-1866446671CRUTEMP 25188Co-Cr-Walloy 28310Nb304HR 160等不同合金在模拟气化炉环境中的性能及其防护技术,为气化炉防腐蚀延寿提供可靠的试验数据和技术支持。

  

  7、汽车尾气催化涂层制备技术

  与美国福特公司进行汽车涡轮陶瓷涂层URP项目合作,利用阴极等离子电解沉积技术,在汽车涡轮表面制备活性氧化铝涂层,取得了阶段的突破性进展。应用此项技术,将会有效改变传统三元催化孕育期无催化能力的现象,极大地降低汽车冷启动过程中污染物的排放量,满足日益严格的汽车尾气排放标准。阴极等离子电解沉积技术具有涂层微观组织可控、相成分可调、涂层表面积大、不受工件形状限制等工艺特点,可以在形状复杂的构件上进行等离子沉积,原位生成氧化物陶瓷,非常适合承当汽车涡轮催化剂载体涂层。

   

  8、阻氚涂层典型氧化物中氢同位素相关行为和铁电薄膜的同步辐射研究

  聚变堆阻氚涂层的研究工作已成为国际上聚变科学与技术的前沿领域之一。本课题内容:1)采用能谱、光谱、X射线衍射及结构精修、或二次离子质谱等手段,开展氢同位素在阻氚涂层典型氧化物材料中的存在形式与位置研究。2)氢同位素对阻氚涂层氧化物材料的结构、力学和电学等性能的影响规律研究。弄清楚本课题所针对问题,对受控热核聚变堆阻氚涂层选材、结构设计、制备以及服役可靠性研究具有非常重要的意义。铁电薄膜的集成铁电元件在计算机信息存储、数据处理方面有重要的应用前景,然而其实际进展大大受限于界面研究、尺寸效应和铁电疲劳等基础问题。本项目利用同步辐射技术的优势,开展铁电薄膜领域的研究。

【研究室承担科研項目】

1973项目:海洋工程装备材料腐蚀与防护关键技术基础研究,2800万,2014-2018

2、科技部项目:国家材料环境腐蚀野外科学观测研究平台(2012年至今),约2000/年;

3、科技部项目:中国材料腐蚀现状及材料腐蚀对自然环境污染情况调查,919万,2012-2016

4863项目:典型酸碱性土壤环境油气管道用高强钢腐蚀评价方法研究;76万,2012-2014

5、国家自然科学基金:压水堆核电站蒸汽发生器用690合金传热管的应力腐蚀行为及机理,240万,2012-2016

6、国家自然科学基金:高强度管线钢土壤腐蚀的关键影响因素及机理研究,300万,2011

7、国家自然科学基金:海洋污损生物附着不锈钢缝隙微环境特征及其局部腐蚀破坏规律与机理,62万,2018-2021

8、科技部重点研发计划重点专项:镁合金产品残余应力消减与表面防护,180万,2017 -2020年;

9、总装瓶颈技术项目:750万,抗烧蚀XX身管及耐蚀结构件集成制造技术,2015-2018年;

10、总装瓶颈技术项目:250万,XXXX延寿技术,2015-2018年;

11、国防基础科研重大项目:360万,XX高效精确制造技术,2017-2020年;

12、北京市教委共建项目:溶液等离子微弧电沉积复合涂层技术研究,30万元,2017-2018

 

【研究室团队建設】

  自然环境腐蚀与表面防护工程研究室是一个团结、友爱、和谐的大家庭,现在读博士研究生18名,在读硕士研究生65名。已毕业博士研究生40余人,硕士研究生100余人。研究室各种设备投资超过1500万元,材料腐蚀实验及检测设备齐全。梯队拥有扫描电镜,原子力显微镜,微区电化学工作站,3D共聚焦体视显微镜,盐雾箱,紫外老化箱,干湿周浸及土壤加速试验箱,疲劳、高压及慢拉升试验机,多种高压腐蚀试验设备等大型试验及检测设备。

  

  

  本研究室有着良好的学风和科研环境,研究室成员有机会不定期参加国内外学术会议和科研活动,并能参与大量与企业相关的课题,提高实践能力。在科研和学习上,研究室成员积极向上,勤奋努力;在生活中,同学之间团结友爱,互相帮助。在学习研究之余,本研究室还有着丰富多彩的集体活动:节日聚餐、梯队春游、羽毛球及篮球比赛等等,在劳逸结合的生活中,丰富了自己的大学生活,建立了友谊。