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【用戶成果】高溫蒸汽下的“防護(hù)盾”——揭秘14YWTZS合金的強(qiáng)抗氧化秘密

發(fā)布時(shí)間：

2025-09-06

燕山大學(xué)沈同德教授團(tuán)隊(duì)在期刊《Corrosion Science》上發(fā)表了題為“Enhanced oxidation resistance of nanocrystalline ODS ferritic alloy in high-temperature steam through addition of a small amount of Si”的論文。研究分析了鋯-硅合金(14YWTZS)在高溫蒸汽中表現(xiàn)出的強(qiáng)抗氧化性能。

【用戶成果】高溫蒸汽下的“防護(hù)盾”——揭秘14YWTZS合金的超強(qiáng)抗氧化秘密

DOI： 10.1016/j.corsci.2025.112906

研究背景

ODS合金因其優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、抗蠕變性能和抗輻照性能，被視為未來(lái)先進(jìn)核反應(yīng)堆（如超臨界水冷堆SCWR）的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料。然而，傳統(tǒng)ODS合金在高溫蒸汽環(huán)境中的抗氧化性能仍有不足，尤其是在Cr含量較高時(shí)可能引發(fā)熱脆化和輻照脆化問(wèn)題。通過(guò)開(kāi)發(fā)一種低含量Si合金化的協(xié)同作用，開(kāi)發(fā)一種新型納米晶ODS合金(14YWTZS)，顯著提升其在650℃高溫蒸汽環(huán)境中的抗氧化性能，并揭示其氧化機(jī)制。

實(shí)驗(yàn)方法

制備工藝：在氬氣氣氛手套箱內(nèi)，粉末混合物與鋼球放入SPEX 8000D振動(dòng)高能球磨機(jī)，以1425 rpm的轉(zhuǎn)速進(jìn)行24小時(shí)的機(jī)械合金化處理。在900℃及4 GPa高壓條件下燒結(jié)30分鐘。
高溫水氧測(cè)試

使用天津中環(huán)的高溫靜態(tài)水氧腐蝕儀進(jìn)行測(cè)試，5 × 5 × 1.5 mm³樣品放置于反應(yīng)腔內(nèi)，在650℃，Ar-20 % H₂O (vol%)的條件下，進(jìn)行1 ~ 1000 h的蒸汽氧化試驗(yàn)。

討論與機(jī)制

Si合金化的關(guān)鍵性：低含量Si（1 wt%）即可形成連續(xù)SiO?層，過(guò)量Si會(huì)損害力學(xué)性能。且SiO的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)比晶態(tài)Cr₂O₃更耐離子滲透。
氧化層演化過(guò)程

早期階段：Si沿晶界快速擴(kuò)散形成SiO?，Mn/Cr向外擴(kuò)散形成外層尖晶石。
中期階段：Cr?O?層形成，Fe被排斥形成孤立顆粒。
長(zhǎng)期階段：Si持續(xù)外遷形成Mn?SiO?最外層，SiO?內(nèi)層增厚至28 nm。

總結(jié)

該研究通過(guò)“納米晶+低Si”策略，成功設(shè)計(jì)出抗高溫氧化的ODS合金，為核能材料開(kāi)發(fā)提供了重要參考。

天津中環(huán)推出高溫靜態(tài)/高速水氧腐蝕測(cè)試系列設(shè)備，利用實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法,準(zhǔn)確模擬渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境的高溫、高水蒸氣分壓和水蒸氣速度，針對(duì)材料的熱腐蝕、水蒸氣氧化腐蝕進(jìn)行循環(huán)測(cè)試，以正確評(píng)估材料的熱化學(xué)穩(wěn)定性。該設(shè)備由進(jìn)氣控制單元、液體精確控制進(jìn)液量單元、加熱蒸發(fā)器控制水的均勻汽化和氣體混合、伴熱管路、加熱反應(yīng)器等組件構(gòu)成。主要用于:各種功能陶瓷，結(jié)構(gòu)陶瓷和陶瓷基復(fù)合材料，超高溫合金材料，高溫?zé)嵴贤繉拥阮I(lǐng)域。

靜態(tài)水氧：

·液態(tài)水汽化精準(zhǔn)可控

·載氣多量程可選：300ml/1000ml/3000ml

·最高溫度可選：1200℃/1600℃/1800℃

·可預(yù)設(shè)多組工藝，每組50段程序控制

高速水氧：

·實(shí)現(xiàn)水蒸氣沖擊：160m/s（計(jì)算值）

·精準(zhǔn)控制進(jìn)液量

·液態(tài)水的均勻汽化和氣體混合