近日，牛津大學(xué)在核反應(yīng)堆蒸汽發(fā)生器管材690合金應(yīng)力腐蝕開裂方向取得重要進(jìn)展，并在金屬結(jié)構(gòu)材料頂級期刊Acta Materialia上發(fā)表題為“On the role of intergranular nanocavities in long-term stress corrosion cracking of Alloy 690”的學(xué)術(shù)論文。沈朝副教授為論文的第一兼通訊作者（其于2021年9月加入上海交通大學(xué)材料學(xué)院曾小勤教授團(tuán)隊），英國皇家科學(xué)院和工程院兩院院士Philip J. Withers、牛津大學(xué)材料系教授Sergio Lozano-Perez和David Armstrong、日本核安全系統(tǒng)研究所主任Koji Arioka及西南交通大學(xué)研究員吳圣川等人為共同作者。該工作得到英國EPSRC基金資助（資助號 EP/R009392/1）。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117453

01 研究背景

早期核反應(yīng)堆蒸汽發(fā)生器管主要用材是600鎳基合金，但其服役經(jīng)驗表明該材料耐應(yīng)力腐蝕開裂性能較差，在服役一段時間之后出現(xiàn)了大量的應(yīng)力腐蝕裂紋。同600鎳基合金相比，690鎳基合金具有更高的Cr含量（~30 wt.%），其在服役過程中表現(xiàn)出及其優(yōu)異的耐應(yīng)力腐蝕開裂性能，因此，其已被用來大規(guī)模替代600鎳基合金作為核反應(yīng)堆蒸汽發(fā)生器管材。截至當(dāng)前，最早一批690鎳基合金已在核反應(yīng)堆中安全服役30多年，并未在該材料中出現(xiàn)任何一例公開報道的應(yīng)力腐蝕開裂失效案例，因此，該材料已被廣泛的認(rèn)為具有免疫應(yīng)力腐蝕開裂的能力。但是，近期日本核安全系統(tǒng)研究所（INSS）以及美國太平洋西北國家實(shí)驗(PNNL)的研究發(fā)現(xiàn)，690鎳基合金在經(jīng)過超長時間的應(yīng)力腐蝕開裂實(shí)驗之后（>20000h），其晶界出現(xiàn)了大量的納米孔洞。這些學(xué)者猜測這些沿晶納米孔洞能夠降低材料的強(qiáng)度，促進(jìn)應(yīng)力腐蝕裂紋的生長。但是，由于應(yīng)力腐蝕開裂是個極其復(fù)雜的過程，影響因素眾多，對于690鎳基合金中沿晶納米孔洞的形成機(jī)制，以及其與應(yīng)力腐蝕裂紋之間的關(guān)系都尚不清楚。

由于我國早期投入運(yùn)行的核電站也已經(jīng)或者即將達(dá)到初始設(shè)計壽命，部分核電站已經(jīng)順利通過延壽許可，其使用壽命將在最初的設(shè)計壽命的基礎(chǔ)上延長20年，美國甚至有部分學(xué)者和產(chǎn)業(yè)界人士提出在延壽20年的基礎(chǔ)上再繼續(xù)延壽20年，這將對蒸汽發(fā)生器管材的長期服役安全性提出極大的挑戰(zhàn)。雖然30多年的服役經(jīng)驗表明，690鎳基合金具有極其優(yōu)異的耐應(yīng)力腐蝕開裂性能，但是其在更長的服役周期內(nèi)是否依然能夠免疫應(yīng)力腐蝕裂紋的出現(xiàn)還尚未可知。尤其是日本和美國學(xué)者在超長應(yīng)力腐蝕開裂實(shí)驗后發(fā)現(xiàn)了大量的沿晶納米孔洞，如果這些納米孔洞在690鎳基合金服役過程中大量積累，可能在達(dá)到某個臨界點(diǎn)后產(chǎn)生嚴(yán)重的開裂事故，這將直接關(guān)系到我國人民的生命財產(chǎn)安全乃至社會穩(wěn)定。因此，我們需要深入研究690鎳基合金在核反應(yīng)堆工況下長期服役后，其材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化以及這些微觀結(jié)構(gòu)變化同應(yīng)力腐蝕裂紋之間的潛在關(guān)系。

02 主要思路

本文通過在模擬壓水核反應(yīng)堆一回路工況下（360℃/15.5MPa高溫高壓水），對30%冷變形690鎳基合金進(jìn)行超長時間的應(yīng)力腐蝕測試，在經(jīng)過26576h（~3年）的實(shí)驗后，在材料局部區(qū)域發(fā)現(xiàn)了總長度不超過600μm的應(yīng)力腐蝕裂紋。論文綜合利用掃描電子顯微鏡（SEM）、聚焦離子束（FIB）、透射電子顯微鏡（TEM）、同軸電子背散射衍射（on-axis TKD）、微米懸臂梁（micro-cantilever）以及有限元仿真等多種試驗手段對實(shí)驗前后的690合金進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，以探索690鎳基合金在實(shí)驗前后其材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化，以及這些微觀結(jié)構(gòu)變化同應(yīng)力腐蝕裂紋的潛在內(nèi)部關(guān)聯(lián)。進(jìn)而，在這些多尺度微觀表征數(shù)據(jù)以及對應(yīng)的有限元仿真的基礎(chǔ)上提出了690鎳基合金應(yīng)力腐蝕開裂的全新機(jī)制。

03 研究發(fā)現(xiàn)

實(shí)驗結(jié)束后，在690鎳基合金應(yīng)力腐蝕裂紋附近晶界處發(fā)現(xiàn)了大量的納米孔洞，這些沿晶納米孔洞的密度隨著同裂紋距離的增加而降低（圖1）。TEM高分辨表征發(fā)現(xiàn)，這些沿晶納米孔洞主要分布在晶界碳化物附近，并且裂紋尖端前沿尚未開裂的納米孔洞已經(jīng)發(fā)生了氧化（圖2）。TKD高分辨表征發(fā)現(xiàn)690合金晶界處發(fā)生了嚴(yán)重的塑性變形，并且有大量位錯堆積（圖3）。通過FIB制備了5個不同沿晶納米孔洞密度的微米懸臂梁micro-cantilever，測試之后發(fā)現(xiàn)納米孔洞能夠極大的降低晶界強(qiáng)度。通過有限元仿真發(fā)現(xiàn)，一旦氧通過這些納米孔洞擴(kuò)散進(jìn)尚未開裂的晶界，其強(qiáng)度會進(jìn)一步降低（圖4）。當(dāng)晶界強(qiáng)度降低到低于外載荷后，則會發(fā)生沿晶應(yīng)力腐蝕開裂。基于這些研究結(jié)果，文章作者認(rèn)為690鎳基合金在壓水核反應(yīng)堆一回路工況下并不能免疫應(yīng)力腐蝕失效，當(dāng)其服役時間達(dá)到一定年限之后，其內(nèi)部會產(chǎn)生大量的沿晶納米孔洞，一旦環(huán)境中的氧通過這些納米孔洞擴(kuò)散進(jìn)尚未開裂的晶界后，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度會急劇下降，當(dāng)超過某一臨界點(diǎn)后，其會發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂失效。總之，本工作提出的690鎳基合金應(yīng)力腐蝕開裂新機(jī)制可以描述其在整個失效過程中材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的演化過程，為建立更加準(zhǔn)確的材料服役壽命預(yù)測模型提供可靠的理論指導(dǎo)。

圖 1：690鎳基合金實(shí)驗結(jié)束后其裂紋形貌：（a）斷口形貌；（b）截面形貌。

圖 2：690鎳基合金應(yīng)力腐蝕裂紋尖端附近區(qū)域的元素分布。

圖 3：690鎳基合金不同區(qū)域的位錯密度分布。

圖4：690鎳基合金納米孔洞晶界的微米力學(xué)測試以及對應(yīng)的有限元仿真。

Acta Materialia 222 (2022) 117453  (通訊作者：沈朝shenzhao081@sjtu.edu.cn)