孫蓉蓉1,姚美意,1,林曉冬,1,張文懷1,仇云龍2,胡麗娟1,謝耀平1,楊健3,董建新4,成國光5

鋯合金在失水事故工況下會發(fā)生反應Zr + 2H2O → ZrO2+ 2H2[1],從而引發(fā)氫爆,因此科研人員提出了發(fā)展事故容錯燃料(accident tolerant fuel,ATF)的設想,涉及核燃料和包殼。FeCrAl合金由于具有適中的熱中子吸收截面、與UO2相容性好、良好的導熱性能和抗高溫氧化性能等優(yōu)點,被認為是比較有發(fā)展前景的ATF包殼材料[2?9]。

作為ATF包殼的候選材料之一,FeCrAl合金需要在事故工況下具有比傳統(tǒng)鋯合金包殼更加優(yōu)異的抗氧化性能。Dolley等[10]研究了FeCrAl合金和鋯合金在1200℃不同氣氛(Ar氣、空氣和蒸汽)下的氧化行為,結果表明,上述氣氛下FeCrAl合金的抗氧化性能均優(yōu)于鋯合金。Park等[11]研究發(fā)現(xiàn),在1200℃蒸汽條件下Fe22Cr5.8Al (質量分數(shù),%)合金的氧化速率遠低于Zr-4和ZIRLO 2種鋯合金。此外,Badini和Laurella[12]研究發(fā)現(xiàn),FeCrAl合金在高達1300℃的溫度下仍具有優(yōu)異的抗氧化性能。多數(shù)研究[13?15]認為,FeCrAl合金在高溫條件下會形成一層穩(wěn)定、致密且具有保護性的Al2O3膜,這是其具有優(yōu)異抗氧化性能的主要原因。

除事故工況外,FeCrAl合金還需在常規(guī)腐蝕環(huán)境中具有優(yōu)異的耐腐蝕性能。在目前鋯合金的腐蝕研究中,常規(guī)腐蝕條件一般包括：360℃、18.6 MPa、0.01 mol/L LiOH水溶液,360℃、18.6 MPa去離子水,360℃、18.6 MPa、Li + B水溶液,400℃、10.3 MPa過熱蒸汽及500℃、10.3 MPa過熱蒸汽等。作為擬取代鋯合金的ATF包殼候選材料,FeCrAl合金在上述常規(guī)條件下的腐蝕行為也有必要進行深入研究。Ning等[16]研究發(fā)現(xiàn),在360℃、Li + B條件下FeCrAl合金的耐腐蝕性能明顯優(yōu)于商用的Zr-4合金。Park等[11]研究發(fā)現(xiàn),FeCrAl合金在360℃、18.5 MPa去離子水中的腐蝕速率低于鋯合金。Rebak[13]研究發(fā)現(xiàn),FeCrAl合金在模擬壓水堆(PWR)和沸水堆(BWR)水環(huán)境中由于形成富Cr的保護性氧化物而具有優(yōu)異的耐腐蝕性能。可見,FeCrAl合金在高溫高壓水或Li + B水溶液中具有較為優(yōu)異的耐腐蝕性能,然而其在過熱蒸汽條件下的腐蝕行為卻鮮有報道,所以有必要研究FeCrAl合金在過熱蒸汽中的腐蝕行為。

添加合金元素對FeCrAl合金的顯微組織和性能具有重要影響。Kitajima等[17]研究發(fā)現(xiàn),Mn、Nb或Ti的添加可以降低Fe20Cr10Al (原子分數(shù),%)合金在900℃空氣中氧化625 h時氧化膜的褶皺程度。Huang等[18]研究發(fā)現(xiàn),在1200℃的Ar-O2條件下,添加Ti可以改變FeCrAl合金氧化膜的生長機制。Schutze[19]研究發(fā)現(xiàn),Ti有利于提高FeCrAlY合金表面Al氧化膜的黏附力。可見,在高溫條件下Ti的添加對FeCrAl合金的氧化膜存在影響,進而影響合金的抗氧化性能。黨杰等[20]研究發(fā)現(xiàn),添加Ti和Nb可以降低低鉻鐵素體不銹鋼的腐蝕速率。有研究[21,22]發(fā)現(xiàn),Nb、Ti對C、N元素的親和力大于Cr元素,Nb、Ti等元素的添加能夠有效固定合金中的C、N原子,抑制其與Cr生成Cr23C6第二相,從而提高鐵素體不銹鋼的耐腐蝕性能。可見,Ti對鐵素體不銹鋼的耐腐蝕性能有影響。

APMT (Kanthal,Fe22Cr5Al3Mo,質量分數(shù),%)合金是在APM系列基礎上發(fā)展而來的一種FeCrAl型鐵素體不銹鋼,近年來對該合金或相似成分合金用于ATF包殼的相關研究也在開展之中。因此,本工作以APMT合金成分為參考,設計Fe22Cr5Al3Mo-xTi (x= 0、0.5、1.0,質量分數(shù),%)合金,并在靜態(tài)高壓釜中進行500℃、10.3 MPa過熱蒸汽腐蝕實驗,研究Ti對Fe22Cr5Al3Mo合金耐腐蝕性能的影響。這有助于加深對合金元素影響FeCrAl合金腐蝕機理的認識,并為FeCrAl合金成分優(yōu)化提供理論依據(jù)和指導。

1實驗方法

以商用APMT合金成分為參考,通過添加不同含量的Ti元素制備成Fe22Cr5Al3Mo-xTi (x= 0、0.5、1.0,質量分數(shù),%)合金,分別簡稱為0Ti、0.5Ti和1.0Ti合金。采用高純Fe、Cr、Al (純度均達99.99%,質量分數(shù),下同)、MoFe (60%Mo)和海綿Ti (純度為99.7%)按設計成分配料,用真空非自耗電弧爐熔煉成約60 g的鈕扣錠。為保證鈕扣錠成分均勻,每個錠子翻轉熔煉6次。然后,對鈕扣錠依次進行1000℃熱壓,1050℃、30 min均勻化處理,1000℃、30 min熱軋,850℃、30 min退火,溫軋?zhí)幚?制成厚度約1.5 mm的片狀樣品,最終進行850℃、30 min退火。用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜(ICP-AES)分析Cr、Al、Mo和Ti的含量,用LECO CS844型碳硫測定儀分析C的含量,用TC-436型氮氧測定儀分析N的含量。合金主要元素Cr、Al、Mo和Ti含量的分析結果與設計成分比較吻合,如表1所示。

表1實驗用合金的成分 (mass fraction / %)

Table 1Compositions of alloys used in the present work

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利用電火花線切割將3種Fe22Cr5Al3Mo-xTi合金切成尺寸約為10 mm × 10 mm × 1.5 mm的薄片樣品,依次采用800~2000號的水砂紙對其進行打磨、機械拋光,直至將樣品表面拋出鏡面效果；拋光好的樣品先用丙酮超聲清洗3次,然后在煮沸的去離子水中清洗并烘干,放入靜態(tài)高壓釜中進行500℃、10.3 MPa過熱蒸汽的腐蝕實驗,選取腐蝕3、500和1000 h的樣品進行表征分析。為了敘述方便,后文中用合金簡稱/腐蝕時間作為樣品編號,例如：“0Ti/3 h”表示0Ti合金在500℃、10.3 MPa過熱蒸汽中腐蝕3 h后的樣品。

采用18 kW D/MAX2500 V+/PC型X射線衍射儀(XRD)分析未腐蝕樣品的晶體結構,確定合金中的物相。采用配比為15 mL HCl + 30 mL C2H5OH + 5 g FeCl3的刻蝕劑對樣品進行金相刻蝕,并用VHX-100光學顯微鏡(OM)對合金的顯微組織進行觀察。采用裝備有INCA能譜儀(EDS)的JEM-2010F型透射電子顯微鏡(TEM)觀察分析未腐蝕樣品的顯微組織、第二相的形貌和成分,通過選區(qū)電子衍射(SAED)確定第二相的晶體結構。用Helios-600i雙束型聚焦離子束/掃描電子顯微鏡(FIB/SEM)觀察氧化膜表面形貌,并制備TEM觀察用的氧化膜截面樣品。用帶有EDS的JEM-2100F型高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)觀察氧化膜顯微組織,拍攝高角環(huán)形暗場(HAADF)像和HRTEM像,使用設備自帶的Gatan Digital Micrograph軟件進行分析處理,通過SAED和Fourier變換(FFT)確定氧化物的晶體結構；用EDS面掃描和線掃描分析氧化物的成分。

2實驗結果

2.1合金的顯微組織

圖1為0Ti、0.5Ti和1.0Ti合金的OM像。可以看出,0Ti、0.5Ti和1.0Ti合金均發(fā)生了再結晶,平均晶粒尺寸分別約為44、47和45 μm。可見,不高于1.0%Ti (質量分數(shù))的添加對FeCrAl合金晶粒尺寸的影響不大。

圖1

圖10Ti、0.5Ti和1.0Ti合金的OM像

Fig.1OM images of 0Ti (a), 0.5Ti (b), and 1.0Ti (c) alloys

圖2為0Ti、0.5Ti和1.0Ti合金的XRD譜。表2列出了3種合金的XRD特征峰參數(shù)和晶格常數(shù)的平均值$\overline{?}$,并與標準α-Fe (PDF卡片：06-0696)對比。可以看出,0Ti、0.5Ti和1.0Ti合金均為體心立方(bcc)結構的鐵素體組織。0Ti、0.5Ti和1.0Ti合金的晶格常數(shù)均略大于標準α-Fe的值,這是因為Fe、Cr、Al、Mo和Ti的原子半徑分別為0.1241、0.1249、0.143、0.136和0.147 nm[23],其中Al、Mo和Ti的原子半徑均大于Fe的原子半徑,當這些元素置換Fe后會導致晶格畸變,使合金的晶格常數(shù)變大；另外,C、N等以間隙原子的形式存在,也會使其晶格常數(shù)增加。

圖2

圖20Ti、0.5Ti和1.0Ti合金的XRD譜

Fig.2XRD spectra of 0Ti, 0.5Ti, and 1.0Ti alloys

表2α-Fe、0Ti、0.5Ti和1.0Ti合金的XRD特征峰參數(shù)(衍射半角θ、晶面間距d)和晶格常數(shù)平均值($\overline{?}$)

Table 2XRD characteristic peak parameters (the diffraction half angle ofθ, the interplanar crystal spacing ofd) and average lattice constant ($\overline{?}$)ofα-Fe, 0Ti, 0.5Ti, and 1.0Ti alloys

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圖3為0Ti、0.5Ti和1.0Ti合金中典型第二相的TEM像和SAED花樣。表3總結了3種合金中典型第二相的種類和尺寸信息。圖4為0.5Ti和1.0Ti合金在500℃、10.3 MPa過熱蒸汽中腐蝕1000 h后基體中TiN第二相的EDS面掃描圖,TiN第二相的尺寸信息見表3。從圖3、4和表3可知,合金中的第二相尺寸均較小,在50?400 nm范圍內。0Ti合金中只檢測到面心立方(fcc)結構的Cr23C6和正交(o)結構的Cr3C2、Fe3C等碳化物；0.5Ti和1.0Ti合金中除檢測到o-Cr3C2、o-Fe3C等碳化物外,還發(fā)現(xiàn)有密排六方(hcp)結構的Fe2Ti、簡單立方(c)結構的(Fe, Cr)、底心單斜(mc)結構的Al8Mo3和fcc結構的TiN等含Ti、Al和Mo的第二相,但沒檢測到Cr23C6第二相。這說明添加Ti可以抑制合金中Cr23C6第二相的析出[22],促進Al、Mo以第二相的形式析出。

圖3

圖30Ti、0.5Ti和1.0Ti合金中典型第二相粒子的TEM像和SAED花樣

Fig.3TEM images (a1-a6) and SAED patterns of P1-P6 (b1-b6) of typical second phase particles in 0Ti (a1, a2), 0.5Ti (a3, a4), and 1.0Ti (a5, a6) alloys (fcc—face centered cubic, o—orthorhombic, hcp—hexagonal close packed, c—primitive cubic, mc—base centered monoclinic)

表30Ti、0.5Ti和1.0Ti合金中典型第二相的尺寸統(tǒng)計 (nm)

Table 3Statistics of size for typical second phase particles in 0Ti, 0.5Ti, and 1.0Ti alloys

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圖4

圖40.5Ti和1.0Ti合金500℃、10.3 MPa過熱蒸汽中腐蝕1000 h時基體中TiN第二相的EDS面掃描圖

Fig.4EDS mappings of TiN in the matrix of 0.5Ti (a) and 1.0Ti (b) alloys corroded in 500oC and 10.3 MPa superheated steam for 1000 h

2.2氧化膜表面形貌

圖5是0Ti、0.5Ti和1.0Ti合金腐蝕3、500和1000 h的氧化膜表面顯微組織SEM像。腐蝕3 h時,3種合金表面均覆蓋一層細小的氧化物顆粒,但含Ti合金表面的氧化物顆粒更加細小(圖5a1[24]~c1)；腐蝕500 h時,0Ti合金表面出現(xiàn)稀疏分布的大顆粒氧化物(圖5a2),而含Ti合金表面仍為細小的氧化物顆粒(圖5b2和c2),但相較于3 h時尺寸略有增加；腐蝕1000 h時,0Ti合金表面的大顆粒氧化物明顯增多,幾乎覆蓋整個表面,但氧化物顆粒的棱角沒有500 h時明顯(圖5a3),含Ti合金表面也出現(xiàn)了大顆粒氧化物,但分布較稀疏(圖5b3和c3)。這一結果表明,Ti的添加可以延緩合金外層大顆粒氧化物的形成。

圖5

圖50Ti、0.5Ti和1.0Ti合金在500℃、10.3 MPa過熱蒸汽中腐蝕3、500和1000 h的氧化膜表面顯微組織SEM像

Fig.5SEM images of surface morphologies of oxide films formed on 0Ti (a1[24]-a3), 0.5Ti (b1-b3), and 1.0Ti (c1-c3) alloys corroded in 500oC and 10.3 MPa superheated steam for 3 h (a1[24]-c1), 500 h (a2-c2), and 1000 h (a3-c3)

2.3氧化膜截面的顯微組織

圖6是0Ti、0.5Ti和1.0Ti合金腐蝕3、500和1000 h的氧化膜截面顯微組織HAADF像(其中,0Ti合金腐蝕3和500 h的HAADF像來自文獻[24])。由于大顆粒氧化物在氧化膜表面稀疏分布,不能代表合金氧化膜的真實厚度,所以本工作測量氧化膜厚度時未包括大顆粒氧化物的厚度。表4列出了3種合金腐蝕不同時間的氧化膜厚度。由圖6和表4可知,腐蝕3 h時,0Ti、0.5Ti和1.0Ti合金的氧化膜厚度均較薄且氧化膜/基體(O/M)界面不平整,分別為(250 ± 100) nm、(60 ± 25) nm和(60 ± 20) nm,且含Ti合金的氧化膜厚度小于0Ti合金；腐蝕500 h時,3種合金的氧化膜厚度分別增加至(600 ± 30) nm、(180 ± 85 nm)和(230 ± 65) nm；腐蝕1000 h時,3種合金氧化膜厚度分別增加至(720 ± 50) nm、(330 ± 80) nm和(370 ± 50) nm,但含Ti合金的氧化膜厚度仍小于0Ti合金。可見,添加Ti可降低合金氧化膜厚度(不包括大顆粒氧化物的厚度)。

圖6

圖60Ti、0.5Ti和1.0Ti合金在500℃、10.3 MPa過熱蒸汽中腐蝕3、500和1000 h的氧化膜截面HAADF像

Fig.6HAADF images of the cross-sectional oxide films formed on the 0Ti (a1[24], a2[24], a3), 0.5Ti (b1-b3), and 1.0Ti (c1-c3) alloys corroded in 500oC and 10.3 MPa superheated steam for 3 h (a1[24]-c1), 500 h (a2[24]-c2), and 1000 h (a3-c3)

表40Ti、0.5Ti和1.0Ti合金在500℃、10.3 MPa過熱蒸汽中腐蝕3、500和1000 h時氧化膜的厚度 (nm)

Table 4Average thicknesses of oxide films formed on the 0Ti, 0.5Ti, and 1.0Ti alloys corroded in 500oC and 10.3 MPa superheated steam for 3 h, 500 h, and 1000 h

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4結論

(1) 0Ti合金中只檢測到面心立方結構的Cr23C6和正交結構的Cr3C2、Fe3C等碳化物；0.5Ti和1.0Ti合金中除檢測到正交結構的Cr3C2和Fe3C等碳化物外,還發(fā)現(xiàn)有密排六方結構的Fe2Ti、簡單立方結構的(Fe, Cr)、底心單斜結構的Al8Mo3和面心立方結構的TiN等含Ti、Al和Mo的第二相,但沒檢測到Cr23C6第二相；Ti的添加可以抑制合金中Cr23C6第二相的析出。

(2) 3種合金在500℃、10.3 MPa過熱蒸汽中腐蝕不同時間形成的氧化膜均發(fā)生了分層現(xiàn)象,外層均為Fe2O3(密排六方結構),中間層均為Cr2O3(密排六方結構),內層均為Al2O3(包括密排六方、正交和單斜結構)；靠近O/M界面的Al氧化物膜中存在α-(Fe, Cr)。

(3) 添加Ti可降低FeCrAl合金的氧化膜總厚度(不包括大顆粒氧化物的厚度),但可以提高作為保護性氧化膜的hcp-Cr2O3膜的厚度,從而提高合金的耐腐蝕性能。