我國(guó)在鐵鉻基合金氧化膜微觀結(jié)構(gòu)演化研究中取得進(jìn)展，為新型抗腐蝕材料研發(fā)提供關(guān)鍵科學(xué)依據(jù)
2023-10-31 14:43:43
作者：腐蝕與防護(hù) 來(lái)源：腐蝕與防護(hù)
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鐵素體/馬氏體鋼和奧氏體鋼等鐵鉻基合金是以超臨界水冷堆、鉛冷快堆為代表的先進(jìn)核能系統(tǒng)的首要候選材料。材料的抗腐蝕性能是決定先進(jìn)核能關(guān)鍵系統(tǒng)部件能否安全服役的重要因素之一，材料表面氧化膜的微觀特性決定了其抗腐蝕性能。
中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所先進(jìn)核能中心核能工程材料室的研究人員以氧化膜中鎳元素富集為切入點(diǎn)，研究了鐵鉻基合金（15-15Ti 、316L、T91等）的早期氧化腐蝕行為以及氧化膜微觀結(jié)構(gòu)的演化過(guò)程。相關(guān)成果于近日發(fā)表在Journal of Materials Science & Technology上。前期研究發(fā)現(xiàn)，奧氏體鋼（15-15Ti、316L）氧化膜的鎳富集層由鐵鉻尖晶石氧化物和未氧化的富鎳相組成，同時(shí)在氧化膜中發(fā)現(xiàn)了大量的納米孔洞，這些孔洞是氧化劑內(nèi)擴(kuò)散的通道?；阪囋氐目臻g分布和遷移行為，研究團(tuán)隊(duì)揭示了富鎳層的演化過(guò)程并提出了一種氧化膜中納米孔洞的形成機(jī)制。
圖 T91 (a) 和 316L (b) 氧化膜的微觀結(jié)構(gòu)示意圖
作為腐蝕過(guò)程中元素遷移和空位聚集的產(chǎn)物，孔洞對(duì)以擴(kuò)散為主導(dǎo)的氧化腐蝕行為也有著重要影響。研究人員利用透射電子顯微鏡進(jìn)一步對(duì)比研究316L和T91氧化膜的微結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)關(guān)注氧化膜中孔洞的形貌、分布、尺寸等微觀特性。研究發(fā)現(xiàn)，不同于以往大多數(shù)基于光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡的觀察結(jié)果，高分辨的透射電子顯微鏡觀測(cè)表明，在納米尺度下316L和T91氧化膜的內(nèi)層比外層更加多孔。通過(guò)進(jìn)一步分析，研究團(tuán)隊(duì)明確了316L抗腐蝕性能優(yōu)于T91的原因在于其多孔富鉻的內(nèi)氧化層，闡明了氧化膜中納米孔洞對(duì)材料抗氧化腐蝕性能的影響機(jī)制。研究人員結(jié)合模型計(jì)算，揭示了鎳遷移擴(kuò)散是奧氏體鋼316L內(nèi)層氧化膜中納米孔洞形成的主導(dǎo)因素。
圖 316L和 T91氧化膜中納米孔洞的TEM圖像
以上研究結(jié)果為新型抗腐蝕材料的研發(fā)提供了關(guān)鍵科學(xué)依據(jù)與技術(shù)支撐。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目與聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目和蘭州重離子加速器國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等的支持。
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