Ferritische/martensitische Stähle und austenitische Stähle sind die wichtigsten Kandidatenmaterialien für fortschrittliche Kernenergiesysteme. Die Korrosionsbeständigkeit der Materialien ist einer der Faktoren, die den sicheren Betrieb wichtiger Komponenten gewährleisten. Da die Korrosionsbeständigkeit von Materialien stark von den Eigenschaften der gebildeten Oxidfilme abhängt, ist es von entscheidender Bedeutung, die Oxidfilme der Kandidatenmaterialien in Wasser mit hoher Temperatur zu untersuchen.
Forscher am Institut für Moderne Physik (IMP) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) wählten Kandidatenmaterialien (15-15Ti, 316L und T91) aus, um ihr frühes Oxidationsverhalten in Hochtemperaturdampf und den Entwicklungsprozess der Oxidmikrostruktur zu untersuchen . Die Ergebnisse waren veröffentlicht In Zeitschrift für Materialwissenschaft und -technologie.
Die Ni-reiche Schicht im Oxidfilm austenitischer Stähle (15-15Ti, 316L) besteht aus Fe-Cr-Spinelloxid und einer Ni-reichen Phase. Forscher am IMP fanden eine große Anzahl von Nanoporen in der inneren Oxidschicht, die als schneller Gastransportkanal für Oxidationsmittel dienen könnten. Sie enthüllten den Entwicklungsprozess der Ni-reichen Schicht und den Bildungsmechanismus von Nanoporen in der inneren Oxidschicht.
Als Produkt der Elementmigration und der Aggregation von Leerstellen während des Korrosionsprozesses haben die Poren auch einen wichtigen Einfluss auf das diffusionsdominierte Oxidationsverhalten. Die Forscher verwendeten Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), um die Mikrostruktur der 316L- und T91-Oxidfilme weiter zu untersuchen, wobei sie sich auf die mikroskopischen Eigenschaften wie Morphologie, Verteilung und Größe der Poren innerhalb des Films konzentrierten.
Hochauflösende Beobachtungen mittels TEM zeigten, dass die innere Schicht von 316L- und T91-Oxidfilmen im Nanomaßstab poröser ist als die äußere Schicht, was sich von den meisten früheren Beobachtungen mit optischen Mikroskopen und Rasterelektronenmikroskopen unterscheidet. Durch die Analyse der Phase, Struktur und Zusammensetzung des Oxidfilms wurde deutlich, dass die Oxidationsbeständigkeit von 316L in Hochtemperaturdampf aufgrund seiner porösen Cr-reichen inneren Oxidschicht besser ist als die von T91.
Anschließend enthüllten die Forscher den Einflussmechanismus von Nanoporen auf die oxidative Korrosionsleistung von Materialien. Mit der Modellrechnung legten sie nahe, dass die Migration und Diffusion des Ni-Elements der dominierende Faktor bei der Bildung von Nanoporen in der inneren Oxidschicht des austenitischen Stahls 316L war, der Dampf bei 350–500 °C ausgesetzt war.
Diese Studie liefert eine wissenschaftliche Grundlage und technische Unterstützung für die Forschung und Entwicklung neuer Korrosionsschutzmaterialien.
Mehr Informationen:
Chao Liu et al., TEM-Vergleichsstudie zu Oxidfilmen aus 316L- und T91-Stahl, die 350–500 °C heißem Dampf ausgesetzt wurden, Zeitschrift für Materialwissenschaft und -technologie (2023). DOI: 10.1016/j.jmst.2023.07.046