全文速覽

研究背景

隨著化石能源逐漸枯竭以及全球碳中和目標的日益迫切，核能作為一種重要的能源替代方案，已成為保障能源安全的關鍵選擇。在第四代核能系統中，LFR因其固有的安全性和優異的核燃料利用效率，成為最具前景的技術之一。然而，LFR冷卻劑LBE在高溫條件下的腐蝕性問題，仍然嚴重威脅著結構材料的長期安全性。9Cr F/M鋼作為LFR核心部件的重要結構材料，因其在高溫環境下表現出的優異抗輻照腫脹性能、高溫強度和良好的導熱性，一直是這一技術的理想選擇。然而，長期暴露在高溫環境中，9Cr F/M鋼會經歷熱老化過程，導致其微觀結構的退化。這種退化表現為位錯密度的降低、析出相的粗化及晶界遷移等現象。盡管熱老化對材料性能的影響已有較多研究，但其對9Cr F/M鋼在LBE氧化腐蝕行為的具體影響，仍未被充分揭示。因此，深入探討9Cr F/M鋼在熱老化過程中微觀結構退化對其在LBE環境下氧化腐蝕行為的影響，成為亟待解決的科研問題。

圖文解析

本研究通過在550℃的條件下進行長時間（2000~20000小時）的熱老化處理，探討了9Cr F/M鋼在氧濃度為1.5×10^-6 wt.% 的LBE環境中的氧化腐蝕行為。隨著熱老化時間的延長，9Cr F/M鋼的微觀結構發生顯著變化。具體來說，隨著時效的推進，材料中亞晶界的形成導致大角度晶界增多；此外，沿晶界分布的富鉻M₂₃C₆相發生了粗化與長大（如圖1所示），這些變化顯著影響了9Cr F/M鋼在LBE環境中的腐蝕行為。

圖1. 不同熱老化狀態的9Cr F/M鋼組織結構；（a）~（c）550℃熱老化2000h后的微觀組織；（d）~（e）550℃熱老化20000h后的微觀組織。

通過對樣品在500h、1220h和1750h LBE腐蝕后的氧化層厚度進行統計（見圖2），可以觀察到，經過550℃時效20000小時后的樣品，其內氧化層（IOZ層）厚度明顯增加，而尖晶石層厚度幾乎保持不變。熱老化引發的9Cr F/M鋼組織變化促進了IOZ層的形成，導致材料的耐氧化腐蝕性能顯著下降。 

氧化層的微觀結構變化如圖3和圖4所示。由于Cr元素的氧勢低于Fe元素，大角度晶界成為氧元素快速擴散的通道。因此，在氧化層生長方向上，平行的板條界面優先氧化，在IOZ層前沿形成優先氧化區域。經過550℃時效20000小時后樣品中的大角度晶界增多，以及界面上M₂₃C₆相的長大，進一步促進了優先氧化區域的生長。此外，界面上分布的大尺寸M₂₃C₆析出相氧化后，還會沿晶界開裂，這為Fe和O的互擴散提供額外的通道，加速IOZ層的生長速率。

圖2. 不同熱老化狀態的9Cr F/M鋼在LBE合金中腐蝕500h、1220h和1750h后的尖晶石層、IOZ層厚度及總的氧化腐蝕深度。

圖3. 不同熱老化狀態的9Cr F/M鋼LBE腐蝕1750h后的氧化層TEM-BF形貌及對應的EDS面掃描分析結果。（a）~(c) 550 ℃熱老化 2000h的樣品；(d)~(f) 550 ℃ 熱老化20000h的樣品IOZ與基體界面氧化層結構；（g）~(i) 550 ℃ 熱老化20000h的樣品IOZ層與尖晶石層界面處微觀結構。

圖4. 不同熱老化狀態的9Cr F/M鋼LBE腐蝕1750h后富Cr M23C6粗化引起的沿界面優先氧化行為。 （a）、(b) 550 ℃熱老化 2000h的樣品；（c）、(d) 550 ℃熱老化 2000h的樣品。

圖5. 熱老化加速9Cr F/M鋼LBE腐蝕氧化層生長示意圖。

作者介紹

趙彥云，煙臺大學核裝備與核工程學院副教授。長期從事反應堆服役環境下結構材料的服役行為研究，包括材料的液態鉛鉍合金腐蝕行為，先進反應堆用ODS鋼高效制備、結構功能一體化屏蔽材料研發等。主持國家自然科學基金和山東省自然科學基金等項目，相關工作發表在Journal of Materials Science & Technology、Corrosion Science、Material Science and Engineering: A等國際期刊上。

劉少軍，中國科學院合肥物質科學研究院研究員，中國科學院青年創新促進會成員，Fusion Engineering and Design期刊編委。主持負責包括國家自然科學基金項目、中國科學院青年創新促進會人才項目、國家自然科學基金重大研究計劃項目課題、ITER 計劃專項國內配套項目子課題等在內的科研項目10余項。長期從事先進反應堆結構材料研發工作，近五年以第一作者/通訊作者在Journal of Materials Science & Technology、Corrosion Science、Material Science and Engineering: A、International Journal of Fatigue、Journal of Nuclear Materials等領域內重要學術期刊上發表論文10余篇。

引用本文