合金材料的高温水腐蚀研究获进展
强辐照、高温和冷却剂腐蚀环境下材料的服役行为是制约先进核能系统研发的问题之一。近日，中国科学院近代物理所在合金材料的高温水腐蚀和辐照/腐蚀研究方面取得进展。
近代物理所核能工程材料室研究人员针对超临界水冷反应堆结构材料面临的强辐照和高温高压水腐蚀环境，自主设计、建造了高温高压水动态腐蚀实验装置，用于反应堆候选结构材料的高温水腐蚀和辐照/腐蚀模拟研究。该装置运行的最高温度为700 ℃、最高压力为10 MPa、最快水流速为10 m/s、最低氧浓度为5 ppb。
利用兰州重离子加速器（HIRFL）等装置提供的重离子束和高温高压水动态腐蚀装置，科研人员开展了超临界水冷堆候选材料——SIMP和T91铁素体/马氏体钢的高温水腐蚀动力学及辐照/高温水腐蚀行为研究。结果表明，SIMP钢比T91钢具有更好的抗水腐蚀性能。研究还发现，流速增强腐蚀现象及流速对氧化膜的组成结构有显著影响。重离子辐照/高温高压水腐蚀实验结果证实，辐照导致材料腐蚀速率显著增大。根据实验结果，科研人员对材料的高温水腐蚀行为及其在辐照环境下抗腐蚀性能退化的机制进行了探讨。
这些成果为先进水冷堆候选材料的快速筛选和评价提供了重要的研究平台、实验方法和科学数据。
相关成果发表在Corrosion Science上。研究工作得到国家自然科学基金联合基金重点项目、中科院重点部署项目和兰州重离子加速器国家实验室等的支持。
图1.高温高压水动态腐蚀装置示意图
图2.SIMP和T91钢的腐蚀动力学曲线（流速5 m/s、氧含量5 ppb）
图3.T91钢的氧化膜厚度随辐照剂量的变化（温度450 ℃、流速5 m/s、压力10 MPa、氧含量5 ppb）
来源：中国科学院近代物理研究所
几种特殊的高温腐蚀及控制
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几种特殊的高温腐蚀及控制特殊的高温腐蚀
1.氮腐蚀
N2是一种不易离解的气体, 不易溶于钢, 也不易与金属生成化合物, 但500℃ 高温下氮化物可分解产生活性氮, 它们向金属内部扩散导致形成裂纹或与合金元素化合生成氮化物即氮化, 对薄壁筒形设备影响很大。合成氨在300~500℃ 时, 也能在铁表面上分解, 并形成初生态的氮, 而这种初生态的氮能和很多金属元素, 如 Fe、 Mn、 Cr、 W、 V、 Ti、 Nb 等形成氮化物。
氮化使钢材发脆, 塑性和韧性显著降低, 当腐蚀严重时, 钢材就极容易发生脆裂。1Cr18Ni9Ti不锈钢具有较强的耐氮化腐蚀能力, 故常用1Cr18Ni9Ti钢作氨合成塔的内件。
2.尘化腐蚀
Fe基、Ni基合金渗碳腐蚀(Metal dustingcorrosion,尘化腐蚀)是高温碳氢环境下发生的灾难性腐蚀。常发生在石油化工、 天然气工业、 煤气转化及热处理等具有饱和碳气氛的加热转化设备上, 发生尘化的材料表面碳过饱和, 析出大量的碳化物, 长时间后碳化物分解, 并且发展迅速造成灾难性的后果。
如, Cr5Mo 钢在600℃ 、 CO-H2-H2O 气氛下的尘化腐蚀, 表现为均匀腐蚀, 材料自表面向内依次析出Fe5C2 和Fe3C 脆性腐蚀产物, 经560h 腐蚀后的试样平均腐蚀深度约为200μm, 而基体材料性质无明显改变。应力可促进尘化腐蚀进程。
3.液态金属脆
液态金属脆 (liquid metal embrittlement, LME) 是指材料与液态金属接触发生腐蚀,塑性降低乃至低应力脆断的现象。这种自发的脆化是由液态金属吸附进入固态金属而引发的, 通常是产生沿晶裂纹。
液态金属沿晶界渗入,通常发生在焊接、 加热和燃烧过程中。金属脆断的机理一直有争议,一般认为吸附降低表面能 (或原子键合力) , 从而导致脆断。能使材料致脆的液态金属主要有碱金属 (Li、 Na、 K) 、 非碱金属 (Hg、 Ca、 Zn、 Se、Cd、 Sn) 以及 Pb-Bi 合金、 Ni-Sn 合金、 NaHg 齐等, 如镀锌钢的液态金属脆裂。
4.灾难性氧化
灾难性氧化是材料在高温下氧化迅速放热不能及时散发, 氧化速率随时间不断上升 (如Ti) 或氧化物升华 (如 Mo、 W、 V) 等导致材料快速氧化。低熔点易挥发氧化物的产生往往是造成灾难性高温腐蚀的重要原因之一。
高温腐蚀的控制
1.设计选择适当的金属材料
2.控制环境
3.表面预处理和覆盖层保护
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