T91和15-15Ti鋼在500℃液態(tài)鉛鉍合金氧控條件下腐蝕行為與機理研究.pdf

1、液態(tài)鉛鉍共晶合金(Lead-Bismuth Eutectic，LBE)對材料的腐蝕問題是燃料包殼等堆內薄壁構件在服役期間保持完整性的重要限制因素，是鉛基反應堆發(fā)展過程中亟需解決的關鍵工程問題之一。本研究以鉛基堆燃料包殼候選材料馬氏體鋼T91和奧氏體鋼15-15Ti為對象，圍繞LBE中“氧濃度”這一核心影響因素，利用靜態(tài)腐蝕實驗裝置和強迫對流材料腐蝕實驗回路，并基于中國鉛基研究堆CLEAR-I運行工況，分別開展了這兩種材料在靜態(tài)和動態(tài)LB

2、E環(huán)境中腐蝕行為與機理研究。主要結果和結論如下:
　　(1)靜態(tài)LBE環(huán)境中氧濃度對材料腐蝕行為的影響與機理
　　為了研究氧濃度對T91和15-15Ti在LBE中腐蝕行為的影響，在500℃下開展了材料在不同氧濃度（10-6wt％、10-7wt％、10-8 wt％）條件下2000h的靜態(tài)腐蝕實驗。對未經腐蝕的兩種初始樣品表面形貌及物相進行分析，均未觀察到原始氧化膜。對腐蝕后樣品界面腐蝕產物形貌、成分與結構進行分析，結果表明:對

3、于T91，在10-6 wt％條件下樣品表面的腐蝕產物由Fe3O4/(Fe，Cr)3O4/內氧化層(IOZ)三層氧化膜組成，在10-7 wt％和10-8 wt％條件下，樣品表面由(Fe，Cr)3O4/IOZ雙層氧化膜組成;對于15-15Ti，在10-6 wt％條件下樣品表面由Fe3O4/(Fe，Cr)3O4雙層氧化膜組成，當氧濃度為10-7wt％和10-8 wt％時，基體主要元素Ni發(fā)生優(yōu)先溶解，腐蝕界面存在LBE向基體滲透現象。

4、　　10-6 wt％條件下腐蝕氧化膜厚度定量分析表明，15-15Ti的氧化膜生長速率比T91低，對氧化物熱力學穩(wěn)定性分析表明，15-15Ti表面生成的(Fe，Cr)3O4中Cr含量較高，使(Fe，Cr)3O4的熱力學更穩(wěn)定且結構更致密。由于15-15Ti的Ni元素含量較高，更易發(fā)生Ni的選擇性溶解。因此，在氧濃度較低時15-15Ti更易發(fā)生了嚴重的溶解腐蝕。由于氧濃度越低，界面腐蝕產物的溶解速率越大而氧化速率越小，因此，T91表面氧化膜

5、厚度隨氧濃度的減小而減小。對于15-15Ti，氧濃度越低，樣品越易發(fā)生溶解腐蝕，同時LBE向基體的滲透深度越大。
　　(2)動態(tài)LBE環(huán)境中材料腐蝕行為與機理
　　為評估兩種材料在CLEAR-I運行工況下的腐蝕性能，開展了條件為500℃、(1-3)×10-6wt％氧濃度、1m/s流動LBE中5000 h的腐蝕實驗。對未經腐蝕的兩種初始樣品表面形貌及物相進行分析，均未觀察到原始氧化膜。對腐蝕后樣品界面腐蝕產物形貌、成分與結構進

6、行分析，結果表明:T91表面形成的氧化膜與10-6wt％靜態(tài)LBE中的相同;而15-15Ti表面主要由單層(Fe，Cr)3O4組成。這是因為當材料與LBE接觸后，基體表面少量組分首先向LBE中發(fā)生溶解，隨后LBE中O向基體發(fā)生擴散并與Fe、Cr結合形成一層薄的(Fe，Cr)3O4。(Fe，Cr)3O4形成后，基體中Fe和LBE中O通過(Fe，Cr)3O4發(fā)生互擴散，分別在(Fe，Cr)3O4/LBE界面生成Fe3O4和在(Fe，Cr)3

7、O4/基體界面繼續(xù)生成(Fe，Cr)3O4。由于15-15Ti表面(Fe，Cr)3O4較為致密，基體中Fe元素擴散到(Fe，Cr)3O4/LBE界面的速率較低，在流動LBE沖蝕作用下，Fe3O4不易生成，僅5000 h后表面局部區(qū)域觀察到少量的Fe3O4。而T91表面(Fe，Cr)3O4較為疏松，Fe3O4的形成速率大于溶解速率，從而表面生成Fe3O4。兩種材料的氧化膜生長動力學曲線均符合拋物線規(guī)律（△x2=kpt）。對于T91，Fe3

8、O4、(Fe，Cr)3O4-和IOZ層的拋物線速率常數（kp）分別為0.052、0.040和0.0057μm2/h;而對于15-15Ti，(Fe，Cr)3O4的kp為8×10-5μm2/h。材料組分溶解速率計算結果表明，15-15Ti的組分溶解速率為500×t-0.5mg/m2h，是T91的1.29倍。但T91的組分溶解主要來源于材料組分穿過氧化膜的直接溶解，而對于15-15Ti，由于Fe-Cr尖晶石剝落/溶解和組分直接溶解導致的溶解速