鎳基合金690具有優異的抗應力腐蝕開裂（SCC）能力，因此被廣泛用于壓水堆（PWR）。與它的前身合金 600 不同，合金 690 自 20 世紀 70 年代末應用于壓水堆以來，從未發生過 SCC 事件。目前，越來越多的研究結果表明，合金 690 的良好性能歸功于在隨機高角度晶界 (RHAB) 上形成的 Cr2O3 保護層，該層可保護下層晶界(GB) 免受晶間氧化（導致 GB 的 "鈍化"）。進一步的研究表明，一旦表面保護膜被破壞，GB 就會暴露在水環境中，導致 GB 氧化和隨后的開裂。盡管如此，GB 的鈍化對合金 690 在高溫水中的高抗 SCC 性能至關重要。

來自西安交通大學的學者研究了合金 690 在暴露于模擬加壓水反應堆一次水后晶界 (GB) 的氧化行為。在晶界上方形成被動膜的趨勢與鉻沿晶界的擴散率呈正相關，而鉻沿晶界的擴散率由晶界結構決定。像孿晶邊界這樣的高有序 GB 會受到穿透性氧化，因為鉻的擴散率非常低。錯向角 θ≤17.4° 的 GB 也無法支持鉻的快速擴散，同樣會出現穿透性氧化。當 θ 在 17.4° 和 28.7° 之間時，鉻的擴散率略有提高，GB 出現不穩定的鈍化。同時，鉻沿 GB 的擴散率還與 GB 平面的原子堆積密度有關。原子堆積密度較高的 GB 表現出較低的鉻擴散率和較深的晶間氧化深度。當 θ 增大到 28.7° 以上時，鉻的擴散速度足以支持在 GB 上形成保護膜。相關工作以題為“The structure dependence of grain boundary passivation of Alloy 690 in high temperature water”的研究性文章發表在Acta Materialia。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119368

圖 1. (a) 晶界分布，(b) 不同錯向晶界的頻率，(c) 氧化測試后試樣表面的 SE 和(d) BSE 圖像。

圖 2. 典型 GB 的氧化行為。(a-c) CTB、(d-f) LAGB (7.7°) 和 (g-i) RHAB (33.5°).

圖 3. 晶間氧化行為表征和晶界晶體學測量。(a、d、g、j、m、p）取樣晶界橫截面的 HAADF 圖像，（b、e、h、k、n、q）近表面 GB 的相應反極點圖，以及（c、f、i、l、o、r）沿（b、e、h、k、n、q）中白色箭頭的錯位剖面圖。

圖 4. 錯位角為 17.4°的 "未鈍化 "GB 的氧化行為（a）內部和晶間氧化物的 TEM 聚焦下BF 圖像和（b）HAADF 圖像，（c-f）O、Ni、Cr 和 Fe 的相關 EDS 圖譜。

圖 5. 錯位角為 24.1°的 "不穩定鈍化 "GB 的氧化行為（a）內部和晶間氧化物的 TEM 聚焦下BF 圖像和（b）HAADF 圖像，（c-f）相關的 O、Ni、Cr 和 Fe 的 EDS 圖譜。

圖 6. 錯位角為 28.7°的 "鈍化 "GB 的氧化行為（a）內部和連續氧化物的 HAADF 圖像，（b）GB 上部連續氧化物的放大圖像，（c-f）相關的 O、Ni、Cr 和 Fe 的 EDS 圖譜。

圖 7. 錯位角為 30.6°的 "鈍化 "GB 的氧化行為（a）內部和連續氧化物的 HAADF 圖像，（b）GB 上部連續氧化物的放大圖像，（c-f）O、Ni、Cr 和 Fe 的相關 EDS 圖譜。

圖 8. GB 氧化深度是錯位角的函數。

圖 9. GB 氧化深度與錯位角和 GBAPD 值的函數關系

圖 10. 內部/外部氧化轉變示意圖

本研究關注了合金 690 在模擬壓水堆一次水中暴露試驗后不同類型晶界的氧化行為。研究揭示了晶界（GB）內部/外部氧化轉變的結構依賴性。合金 690 的晶界鈍化傾向與鉻沿晶界的擴散率呈正相關，而鉻沿晶界的擴散率取決于晶界的錯位角θ。當θ介于 17.4° 和 28.7° 之間時，雖然鉻的擴散性略有增強，但 GB 會出現輕微的滲透性氧化（不穩定的鈍化）。內部/外部氧化轉變的臨界錯向角為 28.7° 超過該值時，鉻的快速擴散可支持在隨機 GB 上形成保護膜，并導致 GB 遷移。晶間氧化的敏感性還受 GB 原子堆積密度（GBAPD）的影響。對于非穩定鈍化的 GB，較高的 GBAPD 會導致較深的晶間氧化深度，因為鉻的擴散率較低。