氧化物弥散强化的 FeCrAl 合金在 600°C 下可承受液态金属流动，类似于熔合包层环境

Josiah02 · 发表于 2024-11-28 00:42:26

在《腐蚀科学》杂志发表的一项研究中，研究人员探索了提高聚变反应堆耐腐蚀性的保护涂层。他们在高温流动的锂铅环境中测试了氧化物弥散强化 (ODS) 合金上的 α-Al 2 O 3氧化物层。裸露的 ODS 合金原位形成了一层耐用的 γ-LiAlO 2层，从而抑制了进一步的腐蚀。
这些层在机械应力下表现出强的粘附性，这些发现对于提高聚变反应堆和高温能源系统中的材料耐久性至关重要。
聚变反应堆是一种很有前途的可持续能源，它需要能够承受极端温度和液态金属冷却剂（如锂和锂铅 (LiPb) 合金）产生的腐蚀环境的先进材料。这些冷却剂在聚变反应堆中必不可少，用于提取热量和培养氚，但它们的腐蚀性威胁到所用结构材料的完整性。
LiPb 特别具有腐蚀性，因为它含有高浓度的锂，会与结构材料发生反应，随着时间的推移导致腐蚀和材料降解。
ODS FeCrAl 合金以其优异的高温强度和耐腐蚀性而闻名，被认为是聚变反应堆和其他高温应用（如聚光太阳能发电系统）的有希望的候选材料。
这些合金依赖于保护性氧化层的形成，例如 α-Al 2 O 3，这在高温下提供了稳定性和耐用性。然而，在液态 LiPb 环境中，合金和冷却剂之间的化学相互作用引发了人们对这些保护层的稳定性和寿命的担忧。
东京科学研究所 (Science Tokyo) 的研究团队由副教授近藤雅俊 (Masatoshi Kondo) 领导，与横滨国立大学、日本核燃料开发公司和国家聚变科学研究所研究部合作，对 ODS FeCrAl 合金在高温下长时间暴露于流动的液态 LiPb 下形成的氧化层进行了腐蚀测试。
研究人员使用两种 ODS FeCrAl 合金（SP10 和 NF12）进行了腐蚀测试。测试在 873 K 的静态和搅拌流条件下进行，以模拟聚变反应堆冷却剂系统中的真实情况。
该团队采用了先进的冶金分析技术，包括扫描透射电子显微镜和电子能量损失谱，来研究合金表面形成的保护氧化层的成分和微观结构。
他们发现，预先形成的 α-Al 2 O 3层可有效抑制初始腐蚀，但由于锂的吸附，部分层会转变为 α-/γ-LiAlO 2。有趣的是，即使没有预氧化，ODS 合金也会原位形成一层耐用的 γ-LiAlO 2层，作为自形成的保护屏障。
利用先进的电子显微镜进行的微观结构分析表明，锂渗透到了 α-Al 2 O 3层中，从而导致了化学转变。
尽管如此，α-Al 2 O 3和 γ-LiAlO 2层均表现出很强的抗剥落性。微划痕测试证实，即使在 LiPb 凝固引起的高热应力下，这些层也能牢固地粘附在合金表面，降解程度极小。
“锂铝氧化物层的耐久性表明这些合金在高温、高应力环境下可以使用更长时间。该层可充当可持续保护层，即使在初始磨损后仍可继续保护反应堆组件，”Kondo 解释道。
随着核技术的发展，这些发现使我们向开发能够长期安全运行的反应堆迈进了一步，从而使可持续能源更加可行。
Kondo 表示：“我们的研究结果表明，ODS FeCrAl 合金能够形成耐用的保护层，在未来的聚变反应堆和其他高温动力系统中将发挥至关重要的作用。”

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