超声波纳米晶表面改性恢复不锈钢的耐腐蚀性

从厨房电器到可持续能源基础设施，不锈钢因其出色的耐腐蚀性而被广泛使用。它们是许多行业的重要材料，包括制造业、运输业、石油和天然气、核能和化学加工。

然而，不锈钢在经受一定范围的高温时（如焊接过程中）会经历一种称为敏化的过程，这会大大降低其耐腐蚀性。如果不加以控制，腐蚀会导致开裂和结构失效。

威斯康星大学麦迪逊分校核工程与工程物理以及材料科学与工程教授Kumar Sridharan说：“这是不锈钢的一个主要问题。”。“当不锈钢被腐蚀时，需要更换或修复组件。这是一个昂贵的过程，会导致工业停机时间延长。”Sridharan和Sridharan团队的助理科学家Kasturi Narasimha Sasidhar展示了一种恢复不锈钢耐腐蚀性的新方法，这种方法可能比传统的高温修复方法更快，也可能更便宜。

为了从根本上理解为什么他们的方法在恢复耐腐蚀性方面如此成功，研究人员与总部位于麦迪逊的CAMECA仪器股份有限公司（AMETEK）合作，利用了一种称为原子探针断层扫描的先进技术，该公司与华盛顿大学麦迪逊分校有联系。

该团队在2025年3月5日发表在《冶金与材料学报》上的一篇论文中详细介绍了他们的发现。

对于他们的方法，研究人员在敏化不锈钢样品上使用了一种名为“超声波纳米晶体表面改性”的技术。在这个过程中，一个硬针以极高的频率敲击钢的表面。Sridharan说：“我们表明，超声波纳米晶体表面改性可以恢复不锈钢的耐腐蚀状态，而不需要任何热处理，这是一件大事。”。

虽然超声波纳米晶体表面改性不易扩展，但Sridharan表示，这项研究可以为类似的、更可扩展的表面改性方法打开一扇门，以优化不锈钢的性能。

当然，研究人员想了解为什么他们的方法是有效的。仅凭扫描或透射电子显微镜等传统显微镜技术不足以产生回答他们问题所需的数据。

“CAMECA的原子探针断层扫描技术使研究人员能够在纳米级三维观察钢，并精确测量材料中元素的位置，”Sasidhar说，他现在是CAMECA仪器股份有限公司的高级应用科学家

不锈钢含有约18%的铬，这使其具有耐腐蚀性。随着敏化作用的发生，不锈钢中微小区域的铬会被耗尽。值得注意的是，这些微小的耗尽区域是耐腐蚀性急剧下降的原因。

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研究小组发现，超声波纳米晶体表面改性处理使微小贫化区域的铬浓度均衡，从而恢复了耐腐蚀性。Sridharan表示，威斯康星大学麦迪逊分校与世界领先的原子探针断层扫描设备制造商CAMECA的联系在这一突破中发挥了关键作用。CAMECA原子探针断层扫描业务的前身是Imago科学仪器公司，该公司由前威斯康星大学麦迪逊分校材料科学与工程教授Tom Kelly于1998年创立。2010年，Imago被阿美特克收购，并入CAMECA业务部门。

“该公司与威斯康星大学麦迪逊分校有着密切的历史联系，”CAMECA的高级应用程序和业务开发人员、该论文的合著者Robert Ulfig（BSNEEP'94，MSMS&；E'97）说，他在研究生学习期间与Sridharan密切合作。“令人兴奋的是，我们能够与大学合作，做出这一有影响力的发现。”