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研究背景

随着化石能源逐渐枯竭以及全球碳中和目标的日益迫切，核能作为一种重要的能源替代方案，已成为保障能源安全的关键选择。在第四代核能系统中，LFR因其固有的安全性和优异的核燃料利用效率，成为最具前景的技术之一。然而，LFR冷却剂LBE在高温条件下的腐蚀性问题，仍然严重威胁着结构材料的长期安全性。9Cr F/M钢作为LFR核心部件的重要结构材料，因其在高温环境下表现出的优异抗辐照肿胀性能、高温强度和良好的导热性，一直是这一技术的理想选择。然而，长期暴露在高温环境中，9Cr F/M钢会经历热老化过程，导致其微观结构的退化。这种退化表现为位错密度的降低、析出相的粗化及晶界迁移等现象。尽管热老化对材料性能的影响已有较多研究，但其对9Cr F/M钢在LBE氧化腐蚀行为的具体影响，仍未被充分揭示。因此，深入探讨9Cr F/M钢在热老化过程中微观结构退化对其在LBE环境下氧化腐蚀行为的影响，成为亟待解决的科研问题。

图文解析

本研究通过在550℃的条件下进行长时间（2000~20000小时）的热老化处理，探讨了9Cr F/M钢在氧浓度为1.5×10^-6 wt.% 的LBE环境中的氧化腐蚀行为。随着热老化时间的延长，9Cr F/M钢的微观结构发生显著变化。具体来说，随着时效的推进，材料中亚晶界的形成导致大角度晶界增多；此外，沿晶界分布的富铬M₂₃C₆相发生了粗化与长大（如图1所示），这些变化显著影响了9Cr F/M钢在LBE环境中的腐蚀行为。

图1. 不同热老化状态的9Cr F/M钢组织结构；（a）~（c）550℃热老化2000h后的微观组织；（d）~（e）550℃热老化20000h后的微观组织。

通过对样品在500h、1220h和1750h LBE腐蚀后的氧化层厚度进行统计（见图2），可以观察到，经过550℃时效20000小时后的样品，其内氧化层（IOZ层）厚度明显增加，而尖晶石层厚度几乎保持不变。热老化引发的9Cr F/M钢组织变化促进了IOZ层的形成，导致材料的耐氧化腐蚀性能显著下降。 

氧化层的微观结构变化如图3和图4所示。由于Cr元素的氧势低于Fe元素，大角度晶界成为氧元素快速扩散的通道。因此，在氧化层生长方向上，平行的板条界面优先氧化，在IOZ层前沿形成优先氧化区域。经过550℃时效20000小时后样品中的大角度晶界增多，以及界面上M₂₃C₆相的长大，进一步促进了优先氧化区域的生长。此外，界面上分布的大尺寸M₂₃C₆析出相氧化后，还会沿晶界开裂，这为Fe和O的互扩散提供额外的通道，加速IOZ层的生长速率。

图2. 不同热老化状态的9Cr F/M钢在LBE合金中腐蚀500h、1220h和1750h后的尖晶石层、IOZ层厚度及总的氧化腐蚀深度。

图3. 不同热老化状态的9Cr F/M钢LBE腐蚀1750h后的氧化层TEM-BF形貌及对应的EDS面扫描分析结果。（a）~(c) 550 ℃热老化 2000h的样品；(d)~(f) 550 ℃ 热老化20000h的样品IOZ与基体界面氧化层结构；（g）~(i) 550 ℃ 热老化20000h的样品IOZ层与尖晶石层界面处微观结构。

图4. 不同热老化状态的9Cr F/M钢LBE腐蚀1750h后富Cr M23C6粗化引起的沿界面优先氧化行为。 （a）、(b) 550 ℃热老化 2000h的样品；（c）、(d) 550 ℃热老化 2000h的样品。

图5. 热老化加速9Cr F/M钢LBE腐蚀氧化层生长示意图。

作者介绍

赵彦云，烟台大学核装备与核工程学院副教授。长期从事反应堆服役环境下结构材料的服役行为研究，包括材料的液态铅铋合金腐蚀行为，先进反应堆用ODS钢高效制备、结构功能一体化屏蔽材料研发等。主持国家自然科学基金和山东省自然科学基金等项目，相关工作发表在Journal of Materials Science & Technology、Corrosion Science、Material Science and Engineering: A等国际期刊上。

刘少军，中国科学院合肥物质科学研究院研究员，中国科学院青年创新促进会成员，Fusion Engineering and Design期刊编委。主持负责包括国家自然科学基金项目、中国科学院青年创新促进会人才项目、国家自然科学基金重大研究计划项目课题、ITER 计划专项国内配套项目子课题等在内的科研项目10余项。长期从事先进反应堆结构材料研发工作，近五年以第一作者/通讯作者在Journal of Materials Science & Technology、Corrosion Science、Material Science and Engineering: A、International Journal of Fatigue、Journal of Nuclear Materials等领域内重要学术期刊上发表论文10余篇。

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