9Cr铁素体/马氏体钢是面向高温服役环境的关键耐热结构材料，广泛应用于火力发电及工业蒸汽系统中的高温高压承压设备（锅炉、主蒸汽管道等）与转动部件（蒸汽轮机转子及叶片等）‌。同时，该钢种也是先进裂变堆、聚变堆包层及快堆堆芯最具潜力的候选结构材料之一。然而，9Cr铁素体/马氏体钢的痛点之一是高温氧化抗力不足，在600°C以上的蒸汽环境中，其氧化速率显著增加，这将成为未来700°C级超临界机组的关键限制因素。此外，作为核反应堆包壳候选材料的低活化9Cr铁素体/马氏体钢(RAFM)，还需满足优异的抗辐照和抗氧化性能要求。添加Si元素可提升抗氧化性能。但Si含量升高会导致铁素体的形成，恶化冲击性能，并增加液态金属冷却剂脆化敏感性。提高Cr含量有利于形成保护性Cr2O3钝化层，但会显著提高韧脆转变温度（DBTT）；当Cr含量达到约12%时，还会引发a’相析出或者s相脆化，在辐照条件下，析出及脆化效应会进一步加剧，导致塑韧性大幅下降。因此，在不提高Cr含量、不添加过量Si的前提下，如何大幅提升9Cr钢的抗氧化性能，已成为该领域亟待突破的关键技术瓶颈。

燕山大学研究团队针对上述瓶颈，提出了Si-La共掺策略，该策略使9Cr铁素体/马氏体钢在高温循环氧化后表面形成由Cr2O3，MnCr2O4和非晶SiO2组成的复合氧化层，显著提升了抗氧化性能。该成果以“Enhancing the high-temperature oxidation resistance of 9Cr ferritic-martensitic steels via silicon and lanthanum co-doping”为题，于2026年7月2日在线发表于国际腐蚀领域权威期刊《Corrosion Science》，为9Cr钢的抗氧化设计提供了新的思路，通讯作者为燕山大学亚稳材料全国重点实验室沈同德教授和孙宝茹副教授。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.mser.2025.101062

【核心内容】

本研究对比考察了四种9Cr-RAFM钢在800 °C空气中的氧化行为：未掺杂钢(0Si0La)、单掺Si钢(0.75Si0La)、单掺La钢 (0Si0.3La)以及Si/La共掺钢 (0.75Si0.3La)。结果表明，Si的掺杂有助于在表面上形成高度保护性的非晶SiO2，形成有效的扩散屏障。La则进一步促进SiO2的形成，并通过降低界面氧分压促进Cr2O3和MnCr2O4的形成，而Cr2O3能有效抑制Fe向外扩散与O向内扩散。此外，La的掺杂降低了钢的热膨胀系数，增强了基体与氧化层之间的界面结合。故，掺杂0.3wt% La和0.75wt% Si的9Cr RAFM钢抗氧化性能显著提升，已达到前人报道的含1.43wt% Si的11Cr RAFM水平。

【研究成果】

1. 掺杂0.3wt% La和0.75wt% Si的9Cr RAFM钢氧化增重与掺杂1.43 wt% Si的11Cr RAFM钢氧化增重接近

图 1 0Si0La、0.75Si0La、0Si0.3La和0.75Si0.3La钢与前人报道的9Cr和11Cr RAFM钢在800°C空气中的氧化增重对比

2. La降低了9Cr RAFM的热膨胀系数，缩小了基体与氧化层之间的热膨胀失配，从而减少了热应力

图 2 0Si0La、0.75Si0La、0Si0.3La和0.75Si0.3La钢的平均线膨胀系数及其与Cr2O3的平均热膨胀系数之间的差值

3. 硅镧共掺形成保护性复合氧化层

• 四种钢在800°C氧化后形成的氧化层结构差异显著：

关键发现：Si/La共掺钢（0.75Si0.3La）的氧化层结构发生根本性转变——外层由Fe₂O₃转变为Cr₂O₃和MnCr₂O₄， 总厚度从约279µm骤降至不足7µm；内层非晶SiO₂由间断分布变为连续层，厚度从13nm增至37nm。Cr₂O₃、MnCr₂O₄与非晶SiO₂均具有优异的保护性，可协同阻碍Fe外扩散与O内扩散，这是共掺策略抗氧化性能大幅提升的结构基础。

图3 在800°C下氧化300 h后，（a）0Si0La、（b）0.75Si0La、（c）0Si0.3La、（d）0.75Si0.3La钢的横截面SEM图像和相应的EDS图谱

图 4 0Si0La、0.75Si0La、0Si0.3La和0.75Si0.3La钢的氧化层示意图,黑色箭头表示O2的扩散，红色箭头表示M（Fe、Mn、Cr等）元素的向外扩散

4. La促进了SiO2的形成，SiO2降低了界面的氧分压，从而促进了Cr2O3和MnCr2O4的形成。

图 5 Ellingham图，包含氧分压和随温度变化的标准吉布斯自由能

【总结与展望】

该工作证实，仅约1%的Si-La共掺即可促进Cr2O3、MnCr2O4与非晶SiO2复合氧化层的形成，进而大幅提升9Cr钢的高温抗氧化性能。这一Si-La共掺策略为先进的耐高温、抗氧化结构材料的设计提供了新思路，对提升火力发电与工业蒸汽系统、核反应堆等关键结构材料的运行效率与服役安全性具有极其重要的工程意义。