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TP439不锈钢在800 ℃高温水蒸气中的初期氧化行为
2026-02-12
TP439不锈钢在800 ℃高温水蒸气中的初期氧化行为
研究背景
TP439是一种铁素体不锈钢（高Cr，含稳定化元素Ti），因其良好的综合力学性能、抗晶间腐蚀性、低热膨胀系数和高导热性，被广泛用作核电站高压加热器的管材。服役工况通常是高温高压水蒸汽环境，氧化是导致其失效（如泄漏）的主要原因之一。
研究方法
- 实验材料
TP439铁素体不锈钢，经线切割后处理成尺寸为16×15×1.5mm的矩形试样。
- 水氧实验
800℃，气氛为90%H2O+10%Ar (体积分数%)，保持气体流量为0.15mm3/min。分别氧化15、30、45、60、90、120、240、480、720、1440和2880min，利用高精度天平对氧化后的样品称重，获得氧化动力学曲线。
- 氧化动力学
- 初期阶段0-2h：氧化增重快，遵循线性规律
- 第二阶段2-48h：氧化速率减慢，遵循抛物线规律。
- 热力学上，Cr比Fe更易氧化。随着时间推移，Cr从基体内扩散至表面，逐步形成保护性更好的富Cr氧化层
图. TP439不锈钢在800 ℃高温水蒸气中48和2 h的氧化动力学曲线
研究结果
(1) TP439 不锈钢在初期阶段的氧化速率较快，氧化动力学符合线性氧化规律，线性速率常数kl为5.21×10-2mg·cm-2·h-1；第二阶段的氧化动力学符合抛物线增长规律，抛物线速率常数 kp为1.54×10-3mg·cm-2·h-1。
(2) TP439不锈钢氧化2 h后，XRD检测到微弱的 (Cr，Fe)2O3、Cr2O3和Fe2O3衍射峰；氧化48 h后，氧化产物的主要成分为 (Cr，Fe)2O3和少量的 Cr2O3、Fe2O3、FeCr2O4尖晶石氧化物。
(3) 在800 ℃高温水蒸气环境中，TP439不锈钢在氧化初期阶段，氧化过程受界面反应控制，随着氧化膜的不断增厚，离子在氧化膜中的扩散速度受到阻碍，氧化控制步骤转为扩散控制。由于晶界是元素快速扩散通道，在氧化过程中表面沿晶界处生成网状氧化物，但随氧化时间延长，网状氧化物特征变得不明显。
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