溶氧超临界水环境镍基合金应力腐蚀开裂裂尖扩展的微观机理研究

It is an important issue to develop the advanced ultra supercritical power generation technology that stress corrosion cracking (SCC) of nickel-based alloys in supercritical water with the dissolved oxygen. Supercritical water and the dissolved oxygen obviously accelerate the growth of grain boundary oxide ahead of crack tip, result in that the strength of grain boundaries is weakened and the small region around crack tip is embrittled, thus the crack propagation criteria is also changed. The oxide detected after SCC experiment is not the hydroxide formed at the same time of crack propagation which is easily induced by large tensile stress and high water pressure. Only in the way of enhancing the study on the imperceptible evolution of oxides from micro-nano scale can we clearly understand the micro mechanism of crack propagation and microscopic damage at the region of crack tip. Therefore, experimental researches on SCC in supercritical water with the dissolved oxygen are to be carried out. The strength of grain boundaries ahead of the crack tip will be quantitatively characterized by using nanoindentation. Employing environmental transmission electron microscope and our own designed sample stage, we will in situ observe the evolution process of hydroxyl oxidize chromium. Then, the micro mechanism of crack propagation of SCC for nickel-based alloys will be revealed. This study will be the fundamental knowledge of modeling and prediction of SCC and contribute to inhibit SCC by controlling water chemistry, and then push forward the development of advanced ultra supercritical technology.

溶氧超临界水环境镍基合金的应力腐蚀开裂，是国家发展先进超超临界发电技术的关键问题之一。超临界水和溶解氧加速了裂尖前端晶界内氧化物的生成，显著降低了晶界强度并使裂尖微区脆化，改变了裂纹扩展条件。并且，裂尖拉应力促进了羟基氧化物的生成，以往在试验完成后检测到的裂尖氧化物并不是裂纹扩展时的羟基氧化物。只有从微纳米尺度和细微的氧化物演化行为上加强研究，才能弄清楚裂尖微观损伤和裂纹扩展微观机制。本申请拟开展不同溶解氧浓度超临界水环境应力腐蚀开裂试验研究，采用纳米压痕技术定量表征裂尖晶界强度变化，使用环境透射电镜结合自行设计的载网原位观察裂尖羟基氧化铬生成演化过程，揭示镍基合金在溶氧超临界水环境应力腐蚀开裂裂尖扩展的微观机理。该研究为定量模型建立和预测方法奠定科学基础，有助于优化水化学参数抑制应力腐蚀开裂，推动先进超超临界发电技术的安全高效发展。

超临界水环境镍基合金的应力腐蚀开裂，是国家发展先进超超临界发电技术中镍基合金服役安全的关键问题之一。超临界水和溶解氧加速了裂尖前端晶界内氧化物的生成，显著降低了晶界强度并使裂尖微区脆化，改变了裂纹扩展条件，裂尖拉应力促进了羟基氧化物的生成。本项目从微纳米尺度和细微的氧化物演化行为上加强研究，着力研究裂尖微观损伤和裂纹扩展微观机制。完成了不同溶解氧浓度超临界水环境应力腐蚀开裂试验研究，完成了超临界水和溶氧量对镍基合金裂尖晶界强度和硬度的定量表征和影响规律研究，完成了镍基合金在溶氧超临界水环境下的应力腐蚀开裂裂尖扩展机理，完成了各因素对应力腐蚀开裂的影响规律和机制。使用环境透射电镜原位观察裂尖微区裂纹扩展过程，发现了铬氧化物的生成演变过程，揭示镍基合金应力腐蚀开裂裂尖扩展的微观机理。该研究结果揭示了700℃超超临界候选镍基合金的裂纹快速开裂机理，解决了镍基合金现场验证过程中的失效问题，为开发高韧性的可应用的国产镍基合金奠定基础，提出了提高镍基合金晶界断裂韧性的方法。项目负责人正在开展新的科研项目，联合钢铁研究总院和华能清能院开展“700℃超超临界锅炉管镍基合金优化及验证”。开发的国产700℃镍基合金材料将用于我国首台700℃超超临界机组。本项目超额完成了项目申请书的全部内容，实现了项目研究计划的目标。项目负责人以第一作者或通讯作者在学术期刊上发表SCI收录论文20篇（标注项目号），一级学报论文2篇（标注项目号），授权发明专利5项。所得到的主要结论裂纹扩展微观机理和铬氧化物演变机理发表在腐蚀类TOP期刊Corrosion Science中。主持召开700℃超超临界关键材料国际研讨会2次，在全国高温腐蚀研讨会做大会邀请报告1次，全国腐蚀大会分会场做邀请报告2次。培养了5名硕博士研究生。