Fe-Cr-Al合金的耐腐蚀性能研究

发布时间：2020-04-09 16:35

【摘要】：传统压水堆包壳材料锆合金在高温下易与水蒸汽发生剧烈化学反应,伴随着放热并产生氢气,福岛的核事故爆炸便来源于此。作为一种新型的事故容错安全包壳材料,Fe-Cr-Al合金近年来受到了广泛的关注,Fe-Cr-Al合金不仅具有高的强度和韧性,还有良好的耐高温氧化性能。核反应堆包壳材料长期处于高温、高压、腐蚀及粒子辐照的极端水化学环境下,其耐腐蚀性能是满足应用的首要问题。目前对于Fe-Cr-Al合金的腐蚀性能报道相对较少,Al和Cr元素对腐蚀机制的影响尚不清楚。运用数值模拟计算可以方便的研究合金腐蚀行为,还可以预测合金的长期腐蚀结果。因此,本文结合模拟计算和实验来研究Fe-Cr-Al合金的耐腐蚀性能以及合金元素Al、Cr含量对Fe-Cr-Al合金耐腐蚀性能的影响。利用COMSOL和FLUENT软件模拟并计算了Fe在酸碱溶液环境下的电化学腐蚀情况,发现在酸性条件下,H~+充当去极化剂腐蚀Fe,pH值越小,体系腐蚀电流密度越大,腐蚀越快,在碱性条件下的去极化剂是O_2,高pH值下Fe会形成络合物,随着pH值的增加,体系腐蚀电流密度先缓慢增加,后迅速增加,Fe的腐蚀加剧,酸性溶液中Fe的腐蚀速度远大于碱性溶液;流体流速对Fe腐蚀的影响主要是形成应力腐蚀,温度和氧浓度对Fe的腐蚀影响很大,随着温度和氧浓度的增加,Fe腐蚀速度大大提升。对pH为7.2,氧浓度为0.05mol/L,温度为400K,流体流速为的0.5m/s的耦合场溶液中Fe-Cr-Al合金进行了腐蚀模拟沉积预测,发现富Al区腐蚀非常迅速,腐蚀产物主要沉积在平衡电位较低的Al及其周围,Cr受Al的腐蚀沉积的影响,腐蚀也较为严重,基体Fe受到了电极电位更负的Cr和Al的保护,受腐蚀情况不大,Al含量的增加使得腐蚀产物沉积分布更为均匀,提升了合金的耐蚀性,Cr含量的增加能提升腐蚀产物在Fe表面的沉积,从而提高合金整体的耐蚀性。在模拟条件下,合金表面整体变形很小,Fe-Cr-Al合金具有良好的耐腐蚀性能。Fe-Cr-Al合金在200mlH_2O+0.55ml浓H_2SO_4+3gFeCl_3的酸性溶液条件下腐蚀性能很差,Fe-12Cr-2Al在浸泡120h后的最大腐蚀速率为25.913mm/a,表面存在沿晶粒开裂的裂纹,裂纹深度达mm级别,通过对合金表面的XPS分析,合金的腐蚀产物以Al_2O_3和Cr_2O_3为主,存在少量的Fe、Cr复杂氧化物,随着Al、Cr含量的增加,合金表面的氧化膜增多,合金的腐蚀速率明显减慢,耐腐蚀性能增强,当Al含量达到Fe-12Cr-6Al时合金的腐蚀深度已不足50nm;Fe-Cr-Al合金在pH=7.2的LiOH+H_3BO_3溶液中腐蚀性能良好,浸泡360h后合金表面仍具有金属光泽,Fe-Cr-Al合金在弱碱性溶液中体现了良好的耐腐蚀性能。Al、Cr对Fe-Cr-Al合金腐蚀的影响机制相同,都是形成氧化物覆盖在合金表面,阻止合金和腐蚀液的直接接触,Al的氧化膜比Cr更容易形成,因此Al含量的改变对体系在溶液中的腐蚀电流密度的影响更大,在所研究的成分范围内,Al对Fe-Cr-Al合金腐蚀性能的影响比Cr更大。
【图文】：

中子吸收截面,切尔诺贝利核电站,锆合金,事故

[12]。图1.1 核电站事故 (a)切尔诺贝利核电站事故 (b)福岛核电站事故锆合金具备了中子吸收截面小、力学性能优良、易于加工等综合性能，多年来一直是核燃料包壳材料的不二选择，被誉为是核反应堆的“第一道安全屏障”[13,14]。但是，在2011 年日本福岛核电站突发了事故，如图 1.1(b)，使得锆合金包壳材料的安全问题受到了外界严重的质疑。在福岛事故中，堆芯冷却剂流动中断，在丧失冷却剂事故（Loss of coolant accident,LOCA）条件下，，燃料元件的温度迅速升高，当温度高于 1000℃时

高温合金,液氮淬火,横截,空气冷却

在1200℃空气中氧化20小时后，高温合金的SEM蚀刻横截面图像
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TF64;TL34

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