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【用户成果】高温蒸汽下的“防护盾”——揭秘14YWTZS合金的强抗氧化秘密
2025-09-06
【用户成果】高温蒸汽下的“防护盾”——揭秘14YWTZS合金的超强抗氧化秘密
DOI： 10.1016/j.corsci.2025.112906
燕山大学沈同德教授团队在期刊《Corrosion Science》上发表了题为“Enhanced oxidation resistance of nanocrystalline ODS ferritic alloy in high-temperature steam through addition of a small amount of Si”的论文。研究分析了锆-硅合金(14YWTZS)在高温蒸汽中表现出的强抗氧化性能。
研究背景
ODS合金因其优异的高温强度、抗蠕变性能和抗辐照性能，被视为未来先进核反应堆（如超临界水冷堆SCWR）的关键结构材料。然而，传统ODS合金在高温蒸汽环境中的抗氧化性能仍有不足，尤其是在Cr含量较高时可能引发热脆化和辐照脆化问题。通过开发一种低含量Si合金化的协同作用，开发一种新型纳米晶ODS合金(14YWTZS)，显著提升其在650℃高温蒸汽环境中的抗氧化性能，并揭示其氧化机制。
实验方法
- 制备工艺：在氩气气氛手套箱内，粉末混合物与钢球放入SPEX 8000D振动高能球磨机，以1425 rpm的转速进行24小时的机械合金化处理。在900℃及4 GPa高压条件下烧结30分钟。
- 高温水氧测试
使用天津中环的高温静态水氧腐蚀仪进行测试，5 × 5 × 1.5 mm3样品放置于反应腔内，在650℃，Ar-20 % H2O (vol%)的条件下，进行1 ~ 1000 h的蒸汽氧化试验。
讨论与机制
- Si合金化的关键性：低含量Si（1 wt%）即可形成连续SiO₂层，过量Si会损害力学性能。且SiO的非晶态结构比晶态Cr2O3更耐离子渗透。
- 氧化层演化过程
- 早期阶段：Si沿晶界快速扩散形成SiO₂，Mn/Cr向外扩散形成外层尖晶石。
- 中期阶段：Cr₂O₃层形成，Fe被排斥形成孤立颗粒。
- 长期阶段：Si持续外迁形成Mn₂SiO₄最外层，SiO₂内层增厚至28 nm。
总结
该研究通过“纳米晶+低Si”策略，成功设计出抗高温氧化的ODS合金，为核能材料开发提供了重要参考。
天津中环推出高温静态/高速水氧腐蚀测试系列设备，利用实验室测试方法,准确模拟涡轮发动机工作环境的高温、高水蒸气分压和水蒸气速度，针对材料的热腐蚀、水蒸气氧化腐蚀进行循环测试，以正确评估材料的热化学稳定性。该设备由进气控制单元、液体精确控制进液量单元、加热蒸发器控制水的均匀汽化和气体混合、伴热管路、加热反应器等组件构成。主要用于:各种功能陶瓷，结构陶瓷和陶瓷基复合材料，超高温合金材料，高温热障涂层等领域。
静态水氧：
·液态水汽化精准可控
·载气多量程可选：300ml/1000ml/3000ml
·最高温度可选：1200℃/1600℃/1800℃
·可预设多组工艺，每组50段程序控制
高速水氧：
·实现水蒸气冲击：160m/s（计算值）
·精准控制进液量
·液态水的均匀汽化和气体混合
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