核能作為經(jīng)濟(jì)、高效、清潔能源，在安全性、穩(wěn)定性以及環(huán)境友好性上具有明顯優(yōu)勢，逐漸成為未來能源結(jié)構(gòu)中的支柱。然而，在利用核能的同時(shí)，也伴隨著乏燃料的產(chǎn)生，確保乏燃料貯存安全是核電持續(xù)發(fā)展的重要保障。由于B元素具有低密度、高中子吸收截面、與熱中子作用后無二次輻射污染等特性，國內(nèi)外核電站乏燃料的貯存方式多采用濕法貯存，即將乏燃料貯存于配有中子吸收材料格架的H₃BO₃水池中。含B奧氏體不銹鋼具有良好的中子屏蔽性能，同時(shí)具備高的強(qiáng)度和良好的韌性，被廣泛用作中子吸收材料。然而，B元素的添加會(huì)導(dǎo)致含B不銹鋼中大量析出(Cr, Fe)₂B相，這些第二相對(duì)濕法貯存環(huán)境中的含B不銹鋼腐蝕性能影響的內(nèi)在機(jī)制尚未澄清，嚴(yán)重制約了高性能含B不銹鋼的研發(fā)與應(yīng)用。 

　　近期，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心材料動(dòng)力學(xué)研究部王建強(qiáng)研究員課題組在前期乏燃料濕法貯存環(huán)境中材料腐蝕行為研究基礎(chǔ)上（D.B. Wang et al. Corros. Sci., 188 (2021) 109529; D.B. Wang et al. J. Mater. Sci. Technol., 140 (2023) 233-248.），與沈陽材料科學(xué)國家研究中心材料設(shè)計(jì)與計(jì)算研究部陳星秋研究員課題組、技術(shù)支撐部崔靜萍高級(jí)工程師、材料腐蝕與防護(hù)中心自然環(huán)境腐蝕研究部馬愛利副研究員、中國機(jī)械總院集團(tuán)沈陽鑄造研究所于波研究員課題組和牛津儀器科技（上海）有限公司劉志文博士等合作，在乏燃料濕法貯存環(huán)境中含B不銹鋼的腐蝕機(jī)理方面，尤其是B元素含量和H₃BO₃對(duì)含B不銹鋼點(diǎn)蝕性能的影響機(jī)制方面取得了新進(jìn)展。 

　　該團(tuán)隊(duì)通過熱力學(xué)計(jì)算設(shè)計(jì)并制備了B元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.6% (B06)、1.2% (B12)和1.8% (B18)的三種亞共晶含B不銹鋼（圖1），并系統(tǒng)研究了不同Cl^-/H₃BO₃比的溶液環(huán)境中三種合金的電化學(xué)腐蝕行為。研究表明，三種含B不銹鋼均由γ奧氏體基體和(Cr, Fe)₂B第二相組成，其點(diǎn)蝕特性取決于局部貧Cr區(qū)誘導(dǎo)的蝕點(diǎn)萌生和微電偶作用控制的蝕點(diǎn)生長的協(xié)同作用（圖2），導(dǎo)致點(diǎn)蝕優(yōu)先發(fā)生在(Cr, Fe)₂B/γ基體界面處（圖3）。隨B含量增加，含B不銹鋼中的(Cr, Fe)₂B相體積分?jǐn)?shù)增加，平均尺寸增大，(Cr, Fe)₂B/γ基體界面處貧Cr區(qū)的密度和寬度增加，貧Cr區(qū)中Cr含量降低，這些變化增加了含B不銹鋼表面鈍化膜的不均勻性，點(diǎn)蝕萌生更為敏感。另一方面，(Cr, Fe)₂B相體積分?jǐn)?shù)增加且尺寸增大，加劇了兩相間的微電偶作用，進(jìn)一步促進(jìn)了含B不銹鋼的點(diǎn)蝕穩(wěn)定生長，最終導(dǎo)致高B不銹鋼鈍化性和長期使役性能的降低（圖4）。此外，通過電化學(xué)實(shí)驗(yàn)和第一性原理計(jì)算表明，含B不銹鋼點(diǎn)蝕性能敏感于溶液環(huán)境中的Cl^-/H₃BO₃比值：在低Cl^-/H₃BO₃環(huán)境，B(OH)₄^-的競爭性吸附抑制了Cl^-在合金鈍化膜表面的吸附，從而抑制了蝕點(diǎn)的萌生，增強(qiáng)了含B不銹鋼的耐蝕性（圖5）。反之，在高Cl^-/H₃BO₃環(huán)境，H₃BO₃電離的酸化作用促進(jìn)了點(diǎn)蝕穩(wěn)定生長，進(jìn)而降低了合金的耐蝕性。基于本研究提出的(Cr, Fe)₂B相誘導(dǎo)的“貧Cr-微電偶耦合機(jī)制”，該團(tuán)隊(duì)優(yōu)化了B18合金熱軋工藝，改善了(Cr, Fe)₂B相的形態(tài)、尺寸及分布特征，從而顯著提升了高中子吸收含B不銹鋼的耐點(diǎn)蝕性能（圖6）。 

　　相關(guān)研究成果以“Unveiling the pitting corrosion mechanism of borated stainless steel in the wet storage environment of spent nuclear fuels”發(fā)表于Acta Materialia, 263 (2024) 119477 (https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119477)。金屬所博士生王德斌為第一作者，馬會(huì)副研究員、張鎖德副研究員和王建強(qiáng)研究員為共同通訊作者。 

　　上述工作得到了國家自然科學(xué)聯(lián)合基金項(xiàng)目、中國科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目、國家科技重大專項(xiàng)及沈陽材料科學(xué)國家研究中心等項(xiàng)目的資助。 

圖1. 三種不同B含量含B不銹鋼的設(shè)計(jì)：通過熱力學(xué)計(jì)算獲得 (a) 含B不銹鋼偽二元相圖；(b) B06合金、(c) B12合金和 (d) B18合金的平衡相隨溫度的分?jǐn)?shù)。

圖2. 三種含B不銹鋼的TEM表征：(a-c) HAADF像；(d-e) (Cr, Fe)₂B相和(f-g) γ基體的選區(qū)電子衍射結(jié)果；(h-j) (Cr, Fe)₂B/γ基體界面的成分分布；(k-m) B18合金的SKPFM結(jié)果。

圖3. 三種含B不銹鋼微納尺度的腐蝕形貌特征，點(diǎn)蝕優(yōu)先發(fā)生在(Cr, Fe)₂B/γ基體界面處。

圖4. 三種含B不銹鋼的電化學(xué)腐蝕性能：(a-f) 三種含B不銹鋼在不同Cl-/H₃BO₃比的溶液中的極化曲線、(g) 鈍化區(qū)間變化統(tǒng)計(jì)。

圖5. 第一性原理計(jì)算B(OH)₄-和Cl^-在(a1-a3) γ基體、(b1-b3) (Cr, Fe)₂B相、(c1-c3) γ基體表面鈍化膜和(d1-d3) (Cr, Fe)₂B相表面鈍化膜的吸附能及鍵長。

圖6. 高B不銹鋼合金結(jié)構(gòu)調(diào)控及抗點(diǎn)蝕腐蝕性能的提升。