高氮奥氏体不锈钢在400℃液态铅铋共晶合金中腐蚀行为的研究

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液态铅铋共晶合金(LBE)已经成为第四代反应堆冷却剂和加速器驱动次临界系统冷却剂和散列靶的首选材料。然而,结构材料长期暴露在液态铅铋共晶合金中,会造成严重的腐蚀。高流速的液态铅铋共晶合金(对结构钢的冲刷,更会导致腐蚀过程更为复杂。奥氏体不锈钢是第四代反应堆包层和回路管道的候选结构材料,但腐蚀过程中,Ni元素的优先溶解会加重腐蚀。高氮奥氏体不锈钢低Ni高Cr的特点,满足了核用结构钢材料的要求。因此研究高氮奥氏体不锈钢在静态和动态LBE中的腐蚀行为,具有重要的理论意义和实际应用价值。本文选用N含量不同的高氮奥氏体不锈钢H1、H2、H3作为研究对象,通过课题组自制的静态腐蚀试验装置对高氮奥氏体不锈钢H1、H2、H3在400℃静态饱和氧的液态铅铋共晶合金中分别进行500、1000、1500、2000、3000h的腐蚀试验;利用动态腐蚀试验装置对高氮奥氏体不锈钢H1、H2、H3在400℃不同相对流速(0、0.92、1.27、1.69、2.01m/s)液态铅铋共晶合金中腐蚀1000h。采用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射(XRD)扫描、激光共聚焦显微镜(LSCM)对腐蚀后的试样表面和截面进行分析。静态试验结果表明:高氮奥氏体不锈钢H1、H2的腐蚀方式为氧化和氧化膜剥落交替进行。腐蚀初期(<1000h),试样表面原始氧化膜延长了氧化所需的孕育期,且N含量越高,氧化所需的孕育期越长,此时试样氧化速率较慢;随着腐蚀时间增加,原始氧化膜腐蚀破坏,氧化速率加快,表面形成了双层结构的氧化物,氧化物外层为Fe4O3,内层为(Fe,Cr)3O4;当氧化物长到一定程度后,由于氧化物与基体之间的应力过大而发生剥落。3000h腐蚀时间内,高氮奥氏体不锈钢H1经历3次氧化,H2钢经历了两次氧化,高氮奥氏体不锈钢H3耐腐蚀性能较好,仅出现轻微的元素溶解。动态试验结果表明:高氮奥氏体不锈钢H1,静态腐蚀条件下(0m/s),初始氧化层阻止了高氮钢的进一步氧化;动态腐蚀条件下,表面初始氧化层遭到破坏,表面氧化物含量随相对流速的增加先增后减:相对流速从0增至0.92m/s,初始氧化层的破坏导致表层以下的合金发生扩散氧化,以氧化腐蚀为主;相对流速从0.92 m/s增加到2.01m/s,较大的相对流速将扩散至表面的合金元素及时带走,氧化腐蚀逐渐转变为溶解腐蚀。高氮奥氏体不锈钢H2和H3中N含量较多,弱化了氧对金属的氧化,在不同相对流速下均以溶解腐蚀为主,氧化腐蚀占比较小。综合对比高氮奥氏体不锈钢耐腐蚀性能H3>H2>H1。
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