Passivity & Breakdown of Super Duplex Stainless Steel : Studied with Electrochemical & Synchrotron Techniques

Super duplex stainless steel consists of two phases: austenite and ferrite, and is a highly corrosion resistant material, with a wide range of applications. The corrosion resistance of stainless steels is determined by the performance of a spontaneously formed thin Cr oxide rich film with a thickness of 1-3 nm. This film makes the stainless steel passive towards further oxidation processes, corrosion. The passive film is a dynamic system where degradation and formation reactions occur simultaneously. Super duplex stainless steel is a multi-phase, multielement material which has a high corrosion resistance and the question is whether its microstructure and alloying elements are affecting its passive film properties. This thesis contains two parts: real time synchrotron measurements to study the degradation mechanism during anodic polarization which pushes the material toward oxidation processes; and ex-situ measurements to map the lateral thickness and microscopic elemental distribution in the passive film. The in-situ/operando synchrotron experiments combined several experimental techniques, including X-ray reflectivity (XRR), X-ray diffraction (XRD), X-ray fluorescence (XRF) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS), to simultaneously characterize the structure and chemical/electrochemical properties, as well as their changes of the surface region of the samples. It was found that the oxide film became more defective with increasing potential, leading to a decreased density of the passive film. On the other hand, the Ni rich alloy surface layer below the oxide film showed an increasing density, indicating an increased concentration of heavy elements (Mo and Ni). The XRD data showed evidence of nanocrystalline passive film whereas the amorphousness of the passive film increased with increasing potential. The ex-situ investigations employed by hard X-ray photoelectron emission microscopy (HAXPEEM), providing chemical data from individual grains with different crystallographic orientations parallel to the sample plane. The Cr content was higher on the ferrite than the austenite, whereas the thickness was rather uniform. The grain orientation has a small but detectable influence on the thickness and Cr content of the native passive film.En av de största anledningarna till att rostfria stål är så pass korrosions resistenta är på grund av en spontan oxidbildning på deras yta. Denna metalloxid består i huvudsak av Cr och Fr oxid och hydroxid men även utav Mo föreningar. Oxidskiktet är mycket tunt, mellan 1-3 nm tjockt och det bildas och ändras ständigt. Dess dynamiska karaktär i samband med att det är så tunt gör det svårt att definiera dess tjocklek, sammansättning och nedbrytningsprocess. Den passiva filmen består av två lager, ett oxidskikt och ett hydroxidskikt. På ett mycket rostbeständigt stål så som det höglegerade och tvåfasiga super duplex rostfritt stål, 2507, visas inga tecken på lokal nedbrytning under normala förhållanden. Dock så visar dess polarisationskurva att den går från passive till upplösningstillstånd. Hur nedbrytningen sker på en atomär nivå och hur det duplex stålets uppbyggnad samt sammansättning påverkar den passiva filmens nedbrytning eller avstående från nedbrytning är inte helt förstått. I denna avhandling har den passiva filmens nedbrytning följts utifrån flera aspekter så som den passiva filmens tjocklek, densitet och struktur samt genom att följa den kemiska avfällingen från ytan och därmed kunnat bättre beskriva nedbrytningsprocessen. Detta möjliggjordes genom att förskjuta potentialen eller den elektromotoriska kraften i riktning mot oxidering genom polarisation av materialet. Resultaten visade att med ökande potential blir den passiva filmen mer defekt vilket minskar dess barriäregenskaper och dess passivitet minskar. Under oxidskiktet finns ett skikt med högre densitet, vilket indikerar en berikning av Ni och Mo, med ungefär samma tjocklek. Denna undersökning visade att nedbrytningen av den passiva filmen är en process som sker under ett potentialförlopp. Den passiva har också beskrivits på lokal mikroskopisk nivå genom fotonelektron-emission-mikroskopi (HAXPEEM) analys, där kemiska spektra korreleras med mikroskopiska bilder och specifika områden kan väljas. De lokala kemiska resultaten från kornen visade att det förmodligen finns en liten skillnad mellan den passiva filmen på de ferrit och austenit faserna och dess tillhörande korn, särskilt i det yttre lagret av den passiva filmen.QC 2020-08-17