當溫度、壓力均高于臨界點時(31.2 ℃、7.38 MPa),二氧化碳將轉變?yōu)槌R界二氧化碳(S-CO2),其兼具液體的溶解性和氣體的擴散性,具有壓縮性好、傳熱效率高的優(yōu)點[1]。以S-CO2作為冷卻工質的反應堆具有更高的發(fā)電效率、更低的空間占有率,可以應用于核動力艦艇、車載移動電源等場景[2],發(fā)展前景廣闊。然而,S-CO2氣冷反應堆的運行溫度為500~600 ℃,遠高于傳統(tǒng)水冷堆型,使薄壁結構的反應堆包殼易發(fā)生腐蝕失效,因此其選材成為了制約S-CO2氣冷反應堆研究和發(fā)展的關鍵問題[3]。
奧氏體不銹鋼兼具優(yōu)異的耐蝕性[4]、中子經(jīng)濟性及輻照穩(wěn)定性[5],被視為S-CO2氣冷反應堆的主要候選包殼材料。然而,現(xiàn)階段奧氏體不銹鋼在高參數(shù)S-CO2環(huán)境中的腐蝕機理并不明晰,其行為受到材料成分、環(huán)境等因素的顯著影響。奧氏體不銹鋼表面能否形成連續(xù)的Cr2O3氧化膜是其能否在S-CO2環(huán)境中應用的關鍵[6]。OSTWALD等[7]指出,當奧氏體不銹鋼中Cr質量分數(shù)超過18%時,不銹鋼表面能夠形成連續(xù)的Cr2O3氧化膜。310S(wCr≈25%)和316L(wCr≈18%)不銹鋼具有較高Cr含量,可應用于S-CO2環(huán)境。然而,現(xiàn)有針對310S和316L不銹鋼的研究存在試驗環(huán)境與材料服役環(huán)境貼合性差、腐蝕機制不明等問題[8]。因此,作者在600 ℃、20 MPa的S-CO2環(huán)境中對這兩種不銹鋼的均勻腐蝕行為進行了研究,對比了兩種不銹鋼的耐蝕性,分析了氧化膜生長機理,為其在S-CO2核動力裝置中的應用提供參考。
1. 試驗
1.1 試驗材料
試驗采用商用310S和316L奧氏體不銹鋼,實測化學成分見表1。由于Cr、Ni、Fe三種元素對奧氏體不銹鋼在S-CO2環(huán)境中的腐蝕行為影響最為顯著[4],為深入研究其影響,對這三種元素進行歸一化處理,其結果如表1所示。
鋼種 | 條件 | 質量分數(shù)/% | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
C | Si | Mn | P | S | Ni | Cr | Cu | Mo | Fe | ||
310S | 實測 | 0.05 | 0.52 | 0.99 | 0.024 | 0.001 | 19.12 | 25.23 | - | - | 余量 |
歸一化 | - | - | - | - | - | 19.43 | 25.63 | - | - | 54.94 | |
316L | 實測 | 0.02 | 1.66 | 0.45 | 0.028 | 0.007 | 11.26 | 17.80 | 0.088 | 2.37 | 余量 |
歸一化 | - | - | - | - | - | 11.80 | 18.66 | - | - | 69.54 |
310S和316L不銹鋼的平均晶粒尺寸分別為19 μm和18.4 μm。晶粒尺寸對材料腐蝕具有顯著影響[9],而在本研究中,310S和316L不銹鋼的晶粒尺寸相近,故可以排除該因素的影響。
1.2 腐蝕試驗
模擬S-CO2環(huán)境對310S和316L不銹鋼進行均勻腐蝕試驗,試驗裝置如圖1所示。該裝置包括氣體供給系統(tǒng)、高溫試驗系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。試驗溫度為(600±0.5)℃,壓力為(20±0.5)MPa。
采用線切割方式制備尺寸為20 mm×10 mm×2 mm的片狀試樣,試樣邊緣打孔(直徑1.5 mm)以方便懸掛。采用180號、400號、800號、1200號、2000號的SiC水砂紙逐級打磨試樣表面,并用5 μm的Al2O3懸濁液進行機械拋光。然后,經(jīng)超純水清洗、無水乙醇超聲去污30 min后,對試樣進行烘干并稱量。試驗總時長為500 h,取樣節(jié)點為100、300、500 h。每次取樣時先降溫開釜,取出試樣并使用電子天平進行稱量(誤差±0.1 mg),留樣之后將試樣放回釜內繼續(xù)試驗。
采用掃描電子顯微鏡(SEM)、能譜儀(EDS)、X射線衍射(XRD)等表征手段對均勻腐蝕后試樣形貌、相成分、組織結構和化學成分進行觀察和分析。
2. 結果與討論
2.1 腐蝕后質量變化
在600 ℃、20 MPa的S-CO2環(huán)境中腐蝕后310S和316L不銹鋼的質量變化情況如圖2所示。結果表明,經(jīng)500 h腐蝕后,310S和316L不銹鋼的質量均有所增加,其增量分別為6.82 mg/dm2和35.25 mg/dm2,遠低于相同條件下釩鉬合金(約1 000 mg/dm2)和部分鐵素體鋼(約500 mg/dm2)的質量增量[4],說明這兩種不銹鋼均具有較好的耐蝕性。其中,310S不銹鋼腐蝕后的質量增量遠低于316L不銹鋼腐蝕后的質量增量,說明310S不銹鋼的耐蝕性優(yōu)于316L不銹鋼。