[发明专利]一种通过预氧化提高氧化物弥散强化钢耐高温液态金属腐蚀性能的方法

说明书

本发明属于材料腐蚀防护领域，涉及一种通过预氧化工艺提高先进核能系统用结构材料氧化物弥散强化钢(简称ODS钢)耐高温液态金属腐蚀性能的方法。该方法通过将钢材在600～1200℃氧化合适时间后，在钢表面自发预形成一层连续致密稳定的氧化铝保护膜，有效阻碍基体元素向腐蚀介质液态金属的扩散、以及腐蚀介质向基体材料内部的渗透，从而极大地提高ODS钢的耐高温液态金属腐蚀性能，延长金属材料的服役寿命。该方法具有工艺简单而有效、成本低廉、适用性广泛等优点。

技术领域

本发明属于材料腐蚀防护领域，涉及一种通过预氧化工艺提高先进核能系统用结构材料氧化物弥散强化钢(简称ODS钢)耐高温液态金属腐蚀性能的方法。

背景技术

核能作为世界公认的经济、绿色、低碳、高效的能源，在确保国家安全、能源安全和应对气候变暖、保证全球环境安全等方面具有不可替代的重要作用。第四代核能反应堆是目前正在研发的、在反应堆概念和核燃料循环方面有重大创新的新一代反应堆，具有安全可靠性高、燃料利用率高、废物产生量小、更好的经济性、多用途功能、防止核扩散等优点。铅(铋)快堆(LFR)作为第四代先进核能系统的六大候选堆型之一，有望成为首个实现商业应用的先进核能系统。此外，加速器驱动次临界系统(ADS)也被国际原子能机构列入新型核能系统，是探索核裂变能可持续发展的新途径。液态铅及铅铋共晶因良好的化学性能、中子学性能、热工水力性能和安全特性而成为LFR等先进核能系统重要冷却剂，同时是ADS系统中子产生靶材料兼冷却剂。

合金元素(如：Fe、Cr、Ni等)在液态金属中的高溶解度，使结构材料面临严重的液态金属腐蚀问题。因此，材料是制约LFR和ADS等先进核能系统发展的瓶颈问题之一。目前较为成熟的候选材料包括奥氏体不锈钢(如：316L、15-15Ti)和铁素体/马氏体钢(F/M钢，如：T91、HT9)。由于Ni在LBE中具有极高的溶解度，导致Ni含量较高的奥氏体钢在500℃时受到严重腐蚀。F/M钢因在高于500℃的液态金属中严重氧化，形成的较厚氧化膜阻碍了传热。两类钢材均被限制在500℃的条件下使用。ODS钢由于优越的高温蠕变强度及抗辐照性能成为了先进核能最具潜力的结构材料，其最高服役温度可提高至650℃及以上，从而有望大大提高反应堆的热效率和经济效应。然而，在高温阶段，ODS钢与液态金属的腐蚀兼容性仍然属于国际前沿问题。因此，优化ODS钢的合金成分，或者通过新的方法途径，以进一步有效提高材料的耐高温液态金属腐蚀性能，成为先进核能系统研发中的重要课题。

研究已经证明，通过在钢表面形成一层保护性的Al₂O₃膜可以有效地提高材料与液态金属的相容性。目前采用的方法有：表面铝合金化处理、气相沉积、脉冲激光沉积、脉冲电子束沉积、溶胶-凝胶法等。这些方法虽然可以实现提高材料耐液态金属腐蚀的目的，但存在工艺复杂、成本过高、涂层与基体结合不牢等缺点，并受制于材料尺寸和形状。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过预氧化提高氧化物弥散强化钢耐高温液态金属腐蚀性能的方法，通过合理设计ODS钢的合金成分，并经600～1200℃高温预氧化合适时间后，选择生成一层连续致密的Al₂O₃膜。该Al₂O₃膜可以在液态金属中长期保持稳定，而且可以容许液态金属中的氧浓度在较大范围内变化，从而达到提高材料在核能系统中的服役安全性，延长使用寿命的目的。

本发明的技术方案：

一种通过预氧化提高氧化物弥散强化钢耐高温液态金属腐蚀性能的方法，包括如下步骤：

(1)表面的预处理：首先对氧化物弥散强化钢表面进行机械研磨和抛光处理，之后用丙酮、酒精、去离子水依次清洗氧化物弥散强化钢表面，最后烘干待用；

(2)致密预氧化保护膜的形成：将预处理的氧化物弥散强化钢放入热处理炉中，在600～1200℃下保温1～50h，使得属表面形成一层厚度为0.5～10μm的致密氧化膜。