合金元素对15Cr-ODS合金在液态金属中腐蚀行为的影响

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以液态金属为冷却剂的核反应堆具有良好的中子学、热工水力学和安全特性,已成为第四代先进核能系统(快堆)及聚变堆的主要候选堆型之一。但在反应堆的运行过程中,液态金属会对反应堆结构材料产生腐蚀作用,造成结构材料中组分元素的溶解,导致其性能下降,从而影响结构材料的服役寿命。氧化物弥散强化合金(ODS合金)具有优异的抗辐照、耐高温等性能,是快堆和聚变堆重要的候选结构材料。本文采用机械合金化(MA)和热等静压(HIP)工艺制备出含Al和无Al的8种添加不同合金元素(Zr、Ti)的15Cr-ODS合金,分别在液态铅铋和液态锂铅环境中进行2000 h的高温腐蚀实验。利用SEM、EDS、XRD、TEM等观察分析合金表面氧化层微观形貌、成分分布及结构,取得了如下的成果:(1)含Al的 15Cr-ODS 合金 YAl(不添加 Ti 和 Zr)、YAlZr(添加 Zr)、YAlTi(添加Ti)、YAlZrTi(同时添加Zr和Ti)在液态铅铋中均生成了氧化层,阻挡了液态铅铋向基体的渗透,且氧化层均有分层现象。其中YAl合金腐蚀后生成的氧化层最厚,约为17μm。YAlZr合金和YAlTi合金在相同条件下腐蚀后,氧化层明显变薄(约为11μm),显示合金的耐腐蚀性增强,YAlZrTi合金的氧化层最薄,约为6 μm。表明添加Zr、Ti,特别是同时添加可以有效的提高ODS合金在液态铅铋中的耐腐蚀性。(2)YAl合金与YAlZr合金的氧化层为两层,内氧化层均为尖晶石Fe(FexCr1-x)204结构,外氧化层为Fe304与尖晶石Fe(FexCr1-x)2O4的混合结构。YAlTi合金的氧化层为三层,内层为尖晶石结构Fe(FexCr1-x)2O4,中间层为Fe3O4与尖晶石Fe(FexCr1-x)204混合结构,最外层为Fe3O4。YAlZrTi合金的氧化层为两层,极薄的内氧化层为尖晶石结构Fe(FexCr1-x)2O4,外层为Fe3O4。内层Fe-Cr尖晶石结构较为致密,可以有效阻挡液态铅铋的渗透,使ODS合金在液态铅铋中有较好的抗腐蚀性。(3)不含Al的15Cr-ODS合金Y(不添加Zr和Ti)、YZr(添加Zr)、YTi(添加Ti)、YZrTi(同时添加Zr和Ti)在液态锂铅中腐蚀2000 h后生成了氧化层,氧化层也出现分层现象。其中Y合金的氧化层最厚,为65μm,YZr和YTi合金的氧化层明显变薄,分别为25μm与45μm,YZrTi合金的氧化层最薄,约为18μm。表明Zr、Ti的添加特别是同时添加可以有效的提高ODS合金在液态锂铅中的耐腐蚀性。(4)不同合金元素添加的无Al的ODS合金Y、YZr、YTi、YZrTi在液态锂铅环境中表面氧化产物相似,从外到内依次为Fe2O3,Fe3O4,Fe-Cr尖晶石。表明不同合金元素的添加对ODS合金在液态锂铅中表面氧化产物的影响较小,主要影响氧化层的厚度。外氧化层Fe2O3不够致密,发生了液态锂铅的渗透,内层较为致密,可以有效阻挡锂铅的渗透,从而使ODS合金在液态锂铅中有较好的抗腐蚀性。
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