О роли Al/Nb в КРН нержавеющих сталей AFA в сверхкритическом CO2

npj Деградация материалов, том 6, номер статьи: 56 (2022 г.) Цитировать эту статью

622 доступа

2 цитаты

Подробности о метриках

КРН серии нержавеющих сталей AFA с различным содержанием Al и Nb исследованы в сверхкритическом CO2 методом ССРТ. Результаты показывают, что элемент Nb оказывает дисперсионное упрочнение на механические свойства, но мало влияет на коррозионные свойства. Поверхностная оксидная пленка материала, не содержащего Al, состояла только из аморфного Cr2O3 и шпинели с высоким содержанием Cr. При добавлении Al образуются слои Al2O3, которые значительно уменьшают диффузию элементов, препятствуя тем самым инициированию КРН. Fe3O4 заполняет внутреннюю часть трещин как материалов, не содержащих Al, так и материалов, содержащих Al. Слой Al2O3 образуется в вершине трещины Alсодержащих материалов. Поскольку зерна матрицы большие, защитный слой Al2O3 может быть сформирован только у вершины трещины, который не может полностью препятствовать диффузии ионов наружу по стенкам трещины, и его защитное действие на распространение трещины ограничено.

Благодаря преимуществам высокой компактности, хорошей сжимаемости и высокой эффективности теплопередачи1,2 сверхкритический диоксид углерода (sCO2) рассматривается как потенциальная жидкость для различных энергетических систем, таких как ядерные реакторы. Ядерный реактор с охлаждением sCO2 стал одним из наиболее перспективных ядерных реакторов поколения IV3,4,5,6,7. Однако разрушение материалов в условиях эксплуатации постепенно стало одной из ключевых проблем, ограничивающих развитие системы sCO28.

В настоящее время традиционные конструкционные и оболочные материалы, которые можно использовать в ядерных реакторах с охлаждением sCO2, в основном включают ферритно-мартенситную (F/M) сталь9, аустенитную нержавеющую сталь10,11 и сплав на основе никеля12. Среди них сплавы на основе Ni имеют высокий уровень радиоактивности, но их экономическая стоимость слишком высока для крупномасштабного применения13. Стойкость F/M-сталей к высокотемпературной коррозии низкая14. Толщина оксидной пленки на стали Т22 составила более 32 мкм после 200-часовой выдержки в среде sCO29 при температуре 550 °С. У аустенитных нержавеющих сталей и сталей F/M, подвергающихся воздействию низкотемпературной среды (например, докритической воды), на поверхности образуются Cr2O3 и Crсодержащие оксидные слои, играющие важнейшую защитную роль15. Но стабильность этих пленок оксида Cr в высокотемпературном sCO2 все еще недостаточна10,16,17,18. На поверхности нержавеющих сталей 310 и 316, подвергавшихся воздействию sCO2 в течение всего 500 ч10, наблюдались отколы оксидной пленки большой площади и множество пор, что не соответствует требованиям для применения в ядерных реакторах, охлаждаемых sCO2, особенно в отношении материалов оболочки.

Для решения этой проблемы необходим материал, который не только обладает высокой стойкостью к окислению в sCO2, но также сохраняет преимущества простоты обработки и низкой стоимости. Таким образом, глиноземообразующие аустенитные (AFA) нержавеющие стали, которые изначально были разработаны для улучшения сопротивления ползучести19,20,21,22,23,24, привлекают все больше и больше внимания. Предыдущие исследования показали, что прирост массы сталей AFA в воздухе 800 °C25 и сверхкритической воде26 довольно низок по той причине, что образуется сплошной слой Al2O3. Глинозем (Al2O3) имеет решетку корундового типа, такую ​​же, как Cr2O3, тогда как термодинамическая стабильность Al2O3 выше22 и, как ожидается, обеспечит лучшую защиту материалов27,28,29, подвергающихся воздействию высоких температур и агрессивной среды. Пинт и др.30 сравнили совместимость нескольких коммерческих конструкционных сплавов на основе Fe и Ni с давлением CO2 и обнаружили, что прирост массы Al-содержащих материалов был самым низким. Оксидная пленка AFA-OC6 в sCO2 в основном состояла из тонких и непрерывных Al2O3 и (Cr, Mn)3O4 при низких температурах или после короткого времени выдержки, тогда как оксидная пленка проявляла сложную многослойную структуру по мере увеличения температуры и времени выдержки31. Более того, с добавкой Al образование фаз Ni-Al20,21,22,23,24,32,33 в материалах также увеличивает предел ползучести материалов, что в будущем улучшает возможности применения сталей AFA в высокопрочных сталях. температура окружающей среды sCO2. Общая коррозионная стойкость сталей также повышалась в эвтектике свинец-висмут с увеличением добавления Al, в то время как сплошная оксидная пленка с высоким содержанием Al образовывалась только при низкой концентрации кислорода34,35.