寧波材料所在事故容錯型包殼涂層腐蝕研究方面取得進展
在碳中和的大背景下實現(xiàn)經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展，離不開各種先進的清潔能源技術(shù)，H能在其中將發(fā)揮重要作用。H能的高安全是社會穩(wěn)定和能源持續(xù)發(fā)展的重要基石，尤其在日本福島H電站事故發(fā)生后，事故容錯型燃料（ATF，Accident Tolerant Fuel）已經(jīng)成為國際H能研發(fā)機構(gòu)和工業(yè)界普遍致力的研發(fā)方向。主流事故容錯型包殼管技術(shù)主要包括全替換型包殼管結(jié)構(gòu)材料（如SiC、FeCrAl）和表面增強型鋯合金材料（如Cr或其它合金涂層材料）。從實際應(yīng)用角度來看，事故容錯型包殼管受到多種苛刻環(huán)境因子的作用，因此對結(jié)構(gòu)材料和涂層材料在正常服役工況（主要為超臨界熱水腐蝕和輻照損傷）和事故環(huán)境下（主要為高溫水蒸氣氧化）的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定研究是目前關(guān)注的重點。
近期，中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所先進能源材料工程實驗室就上述主題開展了系列工作，深入研究包殼管材料在超臨界水腐蝕、高溫水蒸氣氧化、高溫熔鹽、離子輻照等環(huán)境因素作用下的結(jié)構(gòu)演變過程和失效機理，獲得提高事故容錯時效性的關(guān)鍵因素。并在此基礎(chǔ)上，設(shè)計出若干種新型高效包殼管環(huán)境屏蔽涂層，大幅度提高了包殼管材料的事故容錯時效性和綜合防護能力，為事故容錯包殼管的發(fā)展和應(yīng)用提供設(shè)計思路和基礎(chǔ)。①梯度涂層：通過構(gòu)建Cr（Al,Si）涂層的成分梯度，從控制元素擴散角度入手形成薄氧化物/厚金屬雙層結(jié)構(gòu)，降低生長應(yīng)力，解決了氧化物隔離層易開裂、防護時間短等問題（Corrosion Science 189 （2021） 109608，Corrosion Science 185 （2021） 109421，Corrosion Science 171 （2020） 108603，Surface & Coatings Technology 374 （2019） 393–401，Surface & Coatings Technology 350 （2018） 841–847）。②高熵涂層：一種新型的非晶高熵FeCrAl基涂層，通過在高溫水蒸氣氧化中原位形成一層連續(xù)且致密的Zr/Si擴散阻擋層，有效地抑制了基體Zr元素的外擴散，從而解決了Zr合金材料親氧性強的問題（Corrosion Science 189 （2021） 109566）。③熔鹽腐蝕：在SiC基體上沉積Cr基涂層，通過元素擴散形成晶界強化和氧化物隔離兩種耐蝕機制，能有效解決SiC在高溫熔鹽中的晶界腐蝕問題（Corrosion Science 184 （2021） 109361）。
以上工作受到實驗室“青年人才托舉計劃”的資助，已申請9項中國發(fā)明專利（ZL201811268095.X、ZL201811268906.6、201910905033.3、201910905746.X、201911120712.6、201911397370.2、202010947693.0、202011623564.2、202011618645.3）。
圖1 梯度涂層經(jīng)高溫水蒸氣氧化后的表/截面結(jié)構(gòu)（左）和應(yīng)力場分布圖（右）
圖2 FeCrAl基多元非晶合金涂層/鋯合金經(jīng)1200℃水蒸氣氧化后的截面形貌圖
圖3 高溫熔鹽腐蝕后的涂層/SiC截面結(jié)構(gòu)成分圖，通過晶界強化和氧化物隔離有效地抑制了SiC的熔鹽腐蝕
?。ㄏ冗M能源材料工程實驗室供稿）