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中科院合肥研究院腐蝕頂刊：小型鉛基堆材料腐蝕研究取得重要進(jìn)展

2022-06-22 15:47:16 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

近日，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院核能安全技術(shù)研究所姜志忠課題組在小型鉛基堆材料腐蝕行為與機(jī)理研究方面取得新進(jìn)展。相關(guān)研究成果發(fā)表在Corrosion Science上。

小型核反應(yīng)堆具有功率穩(wěn)定、安全可靠、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，在海洋動(dòng)力、區(qū)域供電、海水淡化等領(lǐng)域頗具應(yīng)用前景。以液態(tài)鉛鉍合金作為主冷卻劑的鉛冷快堆在小型化方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：堆芯緊湊、核熱傳輸效率高、輔助系統(tǒng)簡(jiǎn)單。然而，F(xiàn)e、Cr和Ni等金屬元素在高溫鉛鉍合金中具有較高的溶解度，鋼鐵材料可能發(fā)生均勻的氧化腐蝕或溶解腐蝕，同時(shí)局部區(qū)域也可能出現(xiàn)鉛鉍滲透和點(diǎn)蝕現(xiàn)象。點(diǎn)蝕是破壞性和隱患性最大的腐蝕形態(tài)之一，影響小型鉛冷快堆的長(zhǎng)期安全服役。

鐵素體/馬氏體鋼（鐵/馬鋼）是鉛冷快堆的重要候選結(jié)構(gòu)材料。當(dāng)溫度≥450℃，且氧濃度≥10-6wt%時(shí)，一般認(rèn)為鐵/馬鋼在鉛鉍合金中會(huì)形成氧化膜，包括磁鐵礦層、尖晶石層和內(nèi)氧化層。近期，研究發(fā)現(xiàn)，鐵/馬鋼在鉛鉍中腐蝕后，氧化膜可能具有更復(fù)雜的亞結(jié)構(gòu)及元素分布特性，而這些復(fù)雜的亞結(jié)構(gòu)和元素分布或是造成鐵/馬鋼發(fā)生點(diǎn)蝕的重要原因。

該工作探究了鐵/馬鋼在氧控鉛鉍環(huán)境腐蝕后表面氧化膜的亞結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，磁鐵礦表面局部區(qū)域存在蜂窩狀組織，該組織由貧氧孔洞和網(wǎng)狀枝干組成（圖1）。低的氧濃度可促進(jìn)蜂窩狀組織在更短的時(shí)間和更多的區(qū)域形成。隨著腐蝕時(shí)間的增加，孔洞尺寸增大、貧氧區(qū)和貧鐵區(qū)面積均增大。經(jīng)2000h腐蝕，貧氧區(qū)延伸至孔洞下方的磁鐵礦層和尖晶石層，導(dǎo)致上述層存在大量氧空位（圖2），將誘發(fā)點(diǎn)蝕的形成，并促進(jìn)點(diǎn)蝕坑的長(zhǎng)大。分析顯示，蜂窩狀組織的形成可能是因?yàn)榇盆F礦表面高能量的局部區(qū)域在氧濃度變得較低后發(fā)生溶解。研究表明，鐵/馬鋼表面氧化層中蜂窩狀組織的存在意味著所在區(qū)域鉛鉍溶解氧濃度較低，可能誘發(fā)點(diǎn)蝕。為避免蜂窩狀組織的形成，有必要優(yōu)化氧控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該研究為小型鉛冷快堆的設(shè)計(jì)提供了重要參考。

研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)和國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010938X22003286#fig0045

圖1.鐵馬鋼表面磁鐵礦局部區(qū)域的蜂窩狀組織。

圖2.在500℃、氧濃度為10-7wt%的鉛鉍中腐蝕2000小時(shí)后，鐵馬鋼氧化膜的截面形貌。紅色圓圈1和2是蜂窩狀組織的孔洞。

圖11所示。蜂窩結(jié)構(gòu)形成示意圖。(a)氧氣濃度為10 ~ 6 wt.%時(shí)破碎磁鐵礦層截面形貌;(b)氧氣濃度為10 ~ 7 wt.%時(shí)磁鐵礦層截面形貌;(c)-(f)不同時(shí)間的表面形貌，顯示了(a)和(b)中低氧濃度下磁鐵礦晶體局部溶解形成蜂窩結(jié)構(gòu)的過程。