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【用戶成果】高溫蒸汽下的“防護盾”——揭秘14YWTZS合金的強抗氧化秘密

燕山大學沈同德教授團隊在期刊《Corrosion Science》上發表了題為“Enhanced oxidation resistance of nanocrystalline ODS ferritic alloy in high-temperature steam through addition of a small amount of Si”的論文。研究分析了鋯-硅合金(14YWTZS)在高溫蒸汽中表現出的強抗氧化性能。

2025-09-06

【用戶成果】高溫蒸汽下的“防護盾”——揭秘14YWTZS合金的超強抗氧化秘密

DOI： 10.1016/j.corsci.2025.112906

研究背景

ODS合金因其優異的高溫強度、抗蠕變性能和抗輻照性能，被視為未來先進核反應堆（如超臨界水冷堆SCWR）的關鍵結構材料。然而，傳統ODS合金在高溫蒸汽環境中的抗氧化性能仍有不足，尤其是在Cr含量較高時可能引發熱脆化和輻照脆化問題。通過開發一種低含量Si合金化的協同作用，開發一種新型納米晶ODS合金(14YWTZS)，顯著提升其在650℃高溫蒸汽環境中的抗氧化性能，并揭示其氧化機制。

實驗方法

制備工藝：在氬氣氣氛手套箱內，粉末混合物與鋼球放入SPEX 8000D振動高能球磨機，以1425 rpm的轉速進行24小時的機械合金化處理。在900℃及4 GPa高壓條件下燒結30分鐘。
高溫水氧測試

使用天津中環的高溫靜態水氧腐蝕儀進行測試，5 × 5 × 1.5 mm³樣品放置于反應腔內，在650℃，Ar-20 % H₂O (vol%)的條件下，進行1 ~ 1000 h的蒸汽氧化試驗。

討論與機制

Si合金化的關鍵性：低含量Si（1 wt%）即可形成連續SiO?層，過量Si會損害力學性能。且SiO的非晶態結構比晶態Cr₂O₃更耐離子滲透。
氧化層演化過程

早期階段：Si沿晶界快速擴散形成SiO?，Mn/Cr向外擴散形成外層尖晶石。
中期階段：Cr?O?層形成，Fe被排斥形成孤立顆粒。
長期階段：Si持續外遷形成Mn?SiO?最外層，SiO?內層增厚至28 nm。

總結

該研究通過“納米晶+低Si”策略，成功設計出抗高溫氧化的ODS合金，為核能材料開發提供了重要參考。

天津中環推出高溫靜態/高速水氧腐蝕測試系列設備，利用實驗室測試方法,準確模擬渦輪發動機工作環境的高溫、高水蒸氣分壓和水蒸氣速度，針對材料的熱腐蝕、水蒸氣氧化腐蝕進行循環測試，以正確評估材料的熱化學穩定性。該設備由進氣控制單元、液體精確控制進液量單元、加熱蒸發器控制水的均勻汽化和氣體混合、伴熱管路、加熱反應器等組件構成。主要用于:各種功能陶瓷，結構陶瓷和陶瓷基復合材料，超高溫合金材料，高溫熱障涂層等領域。

靜態水氧：

·液態水汽化精準可控

·載氣多量程可選：300ml/1000ml/3000ml

·最高溫度可選：1200℃/1600℃/1800℃

·可預設多組工藝，每組50段程序控制

高速水氧：

·實現水蒸氣沖擊：160m/s（計算值）

·精準控制進液量

·液態水的均勻汽化和氣體混合