Corros. Sci.：超臨界水中316L不銹鋼的腐蝕和應力腐蝕敏感性研究

【引言】

第四代核反應堆憑借其高效性和安全性受到了廣泛關注。超臨界水冷堆(SCWR)有系統簡單、熱效率高等優勢，是六種創新型第四代核反應堆中最具前途的反應堆之一。在正常運行下，SCWR中的燃料包殼溫度可達600℃，瞬變時更高。運行溫度越高，燃料包殼材料越有可能因為蠕變，腐蝕或應力腐蝕裂痕(SCC)等而失效，從而引起裂變產物的泄露，嚴重降低反應堆的安全性。因此，這就需要尋找一種有效的材料作燃料包殼來解決該問題。

【成果簡介】

北京時間8月23日，上海交通大學張樂福副教授團隊在Corrosion Science官網上在線發表了一篇題目為“A research on the corrosion and stress corrosion cracking susceptibility of 316L stainless steel exposed to supercritical water”的文章。本文研究了316L不銹鋼(SS)在550℃和600℃超臨界輕水中的抗腐蝕性和應力腐蝕敏感性。通過XRD，SEM，EDS和EBSD分析表征測試樣品的微觀結構。結果表明，隨著測試溫度的升高，316L SS的腐蝕和抗SCC性能降低。該腐蝕樣品的氧化膜具備二相顯微結構，斷裂分析結果表明，在550℃和600℃ SCW條件下，Fe-Cr尖晶石層內形成了Fe₃O₄，導致樣品的晶間和晶內SCC。

【圖文導讀】

圖1?固溶退火的316L SS的EBSD圖像表征

該微觀結構是典型的奧氏體SS，且晶粒的平均大小為30μm。

圖2?腐蝕和SSRT(慢應變速率拉伸)測試系統的裝置原理圖

腐蝕和SSRT(慢應變速率拉伸)是在水化學控制回路的高壓條件下進行測試，該測試裝置運行可達30MPa和670℃。

圖3 550℃和600℃ SCW條件下316L SS的增重vs時間

在兩種溫度下，隨著測試時間的延長，樣品的增重增加。600℃下測試樣品增重和增長率比550℃下的高。

圖4?在不同測試條件下樣品橫截面的SEM圖像和EDS分析

a. 600℃/100h；

b. 600℃/600h;

c. 600℃/1000h;

d. 600℃/1500h;

e. 550℃/1500h。

?圖5?不同測試條件下316L SS的XRD圖像表征

a和b圖為樣品分別在550℃和600℃ SCW中暴露不同次數而得到的。

圖6?暴露于SCW(600℃/25MPa)的樣品表面的SEM圖像表征

a-e.分別為暴露于SCW中100h，300h，600h，1000h，1500h；

f-g.分別為b圖區域I和II的放大圖像；

h. 區域I和II的EDS結果表征。

圖7 SEM橫截面微觀圖及對應的316L SS的EDS元素圖像

a和b圖中有Fe，Cr，Ni，O元素的EDS圖像，分別暴露在550℃和600℃ SCW中1500h。

圖8 SCW中316L SS的氧化過程原理圖

a. 316L SS的初始狀態；

b. Cr₂O₃形成的原理圖；

c-e. Fe-Cr尖晶石層的形成過程原理圖。Cr₂O₃的形成使得金屬基質中Cr減少，所以Fe和水反應生成Fe₃O₄。Cr₂O₃和Fe反應得到Fe-Cr尖晶石，形成了Fe-Cr尖晶石層。

圖9 316L SS的應力-應變曲線

a和b圖的測試條件為550℃和600℃下分別在氬氣和 SCW中。

圖10 316L SS的測試段和斷裂面圖表征

a和b圖的測試條件分別為550℃和600℃SCW。

圖11?樣品測試段表面的微觀結構圖

a. 拉伸試樣圖；

b. 樣品在550℃SCW下測試的EBSD能帶對比圖；

c. 樣品在600℃SCW下測試的EBSD能帶對比圖；

d. 樣品在600℃SCW下測試的BSE圖；

e. 樣品在600℃SCW下測試的SEM和EDS圖。

圖12?在測試段上拉伸樣品裂縫的形成過程原理圖

測試過程中，該材料受到應力和拉力，且因塑性形變形成滑移位移。

【小結】

316L SS暴露在550℃和600℃SCW 下， 其腐蝕和SCC敏感性的研究結果如下：

(1) 隨著測試溫度的升高，腐蝕率也極大地增加，形成了外層為Fe₃O₄和內層為FeCr₂O₄的雙層結構。由于氧化膜多孔結構的出現和連續的Cr₂O₃層的消失，伴隨出現的結果就是腐蝕率的增加。在腐蝕過程中沒有形成Fe₂O₃，這歸結于兩個主要原因：(a)在超臨界輕水中氧氣含量低和(b) 形成不密排Cr₂O₃層，導致Fe離子連續地向外擴散來形成Fe₃O₄；

(2) 觀察到在550℃和600℃SCW下SSRT樣品上晶間和晶內的SCC，且在600℃時SCC敏感性更高。通過抗張應變而形成了水運輸通道，因此在氧化膜的Fe-Cr尖晶石層上發現了充滿Fe₃O₄的通道。Fe₃O₄通道的形成合理地解釋了在表面發生的晶間和晶內SCC。

文獻鏈接：A research on the corrosion and stress corrosion cracking susceptibility of 316L stainless steel exposed to supercritical water(Corros. Sci.，2017，DOI：10.1016/j.corsci.2017.08.027)

本文由材料人編輯部劉錦錦編譯，趙飛龍審核，點我加入材料人編輯部。

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