當(dāng)溫度、壓力均高于臨界點時（31.2 ℃、7.38 MPa），二氧化碳將轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界二氧化碳（S-CO2），其兼具液體的溶解性和氣體的擴(kuò)散性，具有壓縮性好、傳熱效率高的優(yōu)點[1]。以S-CO2作為冷卻工質(zhì)的反應(yīng)堆具有更高的發(fā)電效率、更低的空間占有率，可以應(yīng)用于核動力艦艇、車載移動電源等場景[2]，發(fā)展前景廣闊。然而，S-CO2氣冷反應(yīng)堆的運行溫度為500~600 ℃，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)水冷堆型，使薄壁結(jié)構(gòu)的反應(yīng)堆包殼易發(fā)生腐蝕失效，因此其選材成為了制約S-CO2氣冷反應(yīng)堆研究和發(fā)展的關(guān)鍵問題[3]。
奧氏體不銹鋼兼具優(yōu)異的耐蝕性[4]、中子經(jīng)濟(jì)性及輻照穩(wěn)定性[5]，被視為S-CO2氣冷反應(yīng)堆的主要候選包殼材料。然而，現(xiàn)階段奧氏體不銹鋼在高參數(shù)S-CO2環(huán)境中的腐蝕機(jī)理并不明晰，其行為受到材料成分、環(huán)境等因素的顯著影響。奧氏體不銹鋼表面能否形成連續(xù)的Cr2O3氧化膜是其能否在S-CO2環(huán)境中應(yīng)用的關(guān)鍵[6]。OSTWALD等[7]指出，當(dāng)奧氏體不銹鋼中Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過18%時，不銹鋼表面能夠形成連續(xù)的Cr2O3氧化膜。310S（wCr≈25%）和316L（wCr≈18%）不銹鋼具有較高Cr含量，可應(yīng)用于S-CO2環(huán)境。然而，現(xiàn)有針對310S和316L不銹鋼的研究存在試驗環(huán)境與材料服役環(huán)境貼合性差、腐蝕機(jī)制不明等問題[8]。因此，作者在600 ℃、20 MPa的S-CO2環(huán)境中對這兩種不銹鋼的均勻腐蝕行為進(jìn)行了研究，對比了兩種不銹鋼的耐蝕性，分析了氧化膜生長機(jī)理，為其在S-CO2核動力裝置中的應(yīng)用提供參考。
1. 試驗
1.1 試驗材料
試驗采用商用310S和316L奧氏體不銹鋼，實測化學(xué)成分見表1。由于Cr、Ni、Fe三種元素對奧氏體不銹鋼在S-CO2環(huán)境中的腐蝕行為影響最為顯著[4]，為深入研究其影響，對這三種元素進(jìn)行歸一化處理，其結(jié)果如表1所示。
| 鋼種 | 條件 | 質(zhì)量分?jǐn)?shù)/% | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C | Si | Mn | P | S | Ni | Cr | Cu | Mo | Fe | ||
| 310S | 實測 | 0.05 | 0.52 | 0.99 | 0.024 | 0.001 | 19.12 | 25.23 | - | - | 余量 |
| 歸一化 | - | - | - | - | - | 19.43 | 25.63 | - | - | 54.94 | |
| 316L | 實測 | 0.02 | 1.66 | 0.45 | 0.028 | 0.007 | 11.26 | 17.80 | 0.088 | 2.37 | 余量 |
| 歸一化 | - | - | - | - | - | 11.80 | 18.66 | - | - | 69.54 | |
310S和316L不銹鋼的平均晶粒尺寸分別為19 μm和18.4 μm。晶粒尺寸對材料腐蝕具有顯著影響[9]，而在本研究中，310S和316L不銹鋼的晶粒尺寸相近，故可以排除該因素的影響。
1.2 腐蝕試驗
模擬S-CO2環(huán)境對310S和316L不銹鋼進(jìn)行均勻腐蝕試驗，試驗裝置如圖1所示。該裝置包括氣體供給系統(tǒng)、高溫試驗系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。試驗溫度為（600±0.5）℃，壓力為（20±0.5）MPa。
采用線切割方式制備尺寸為20 mm×10 mm×2 mm的片狀試樣，試樣邊緣打孔（直徑1.5 mm）以方便懸掛。采用180號、400號、800號、1200號、2000號的SiC水砂紙逐級打磨試樣表面，并用5 μm的Al2O3懸濁液進(jìn)行機(jī)械拋光。然后，經(jīng)超純水清洗、無水乙醇超聲去污30 min后，對試樣進(jìn)行烘干并稱量。試驗總時長為500 h，取樣節(jié)點為100、300、500 h。每次取樣時先降溫開釜，取出試樣并使用電子天平進(jìn)行稱量（誤差±0.1 mg），留樣之后將試樣放回釜內(nèi)繼續(xù)試驗。
采用掃描電子顯微鏡（SEM）、能譜儀（EDS）、X射線衍射（XRD）等表征手段對均勻腐蝕后試樣形貌、相成分、組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分進(jìn)行觀察和分析。
2. 結(jié)果與討論
2.1 腐蝕后質(zhì)量變化
在600 ℃、20 MPa的S-CO2環(huán)境中腐蝕后310S和316L不銹鋼的質(zhì)量變化情況如圖2所示。結(jié)果表明，經(jīng)500 h腐蝕后，310S和316L不銹鋼的質(zhì)量均有所增加，其增量分別為6.82 mg/dm2和35.25 mg/dm2，遠(yuǎn)低于相同條件下釩鉬合金（約1 000 mg/dm2）和部分鐵素體鋼（約500 mg/dm2）的質(zhì)量增量[4]，說明這兩種不銹鋼均具有較好的耐蝕性。其中，310S不銹鋼腐蝕后的質(zhì)量增量遠(yuǎn)低于316L不銹鋼腐蝕后的質(zhì)量增量，說明310S不銹鋼的耐蝕性優(yōu)于316L不銹鋼。
