高温流动液态锂和锂铅合金对ODS-RAFM钢腐蚀行为和机理的研究

The oxide dispersion strengthened (ODS) low-activated ferrite martensitic steel (RAFM steel) with Chinese proprietary intellectual property rights is the preferred structural material for the liquid Lithium (Li) blanket and/or liquid lithium lead (Li-Pb) blanket of China's future fusion reactors. Liquid Li/Li-Pb is somewhat corrosive to most solid metal materials and may lead to deterioration in the mechanical properties of ODS-RAFM steel. Moreover, the high temperatures and flow rate service environment exacerbate the effect of deterioration. So, the problem of compatibility between ODS-RAFM and liquid Li/Li-Pb in liquid metal blanket environment is one of the problems that ODS-RAFM steel must be solved in service in the fusion reactor. The corrosion characteristics of ODS-RAFM steel in liquid Li and liquid Li-Pb is not yet clear. In this project, a corrosion test platform will be used to investigate the compatibility between ODS-RAFM and liquid Li/Li-Pb in liquid Li/Li-Pb blanket environment. The effect of flow rate on corrosion behavior of ODS-RAFM steel in high temperature liquid Li and liquid Li-Pb was studied. Then the corrosion mechanism of ODS-RAFM in high temperature dynamic liquid Li and liquid Li-Pb was investigated. Finally, the compatibility of ODS-RAFM steel with liquid Li and liquid Li-Pb in liquid metal blanket environment was evaluated. It provides important data reference for liquid Li/Li-Pb blanket of DEMO and future fusion reactor to eliminate potential safety risks.

具有中国自主知识产权的氧化物弥散强化(ODS)低活化铁素体马氏体(RAFM)钢将会是中国未来聚变堆液态锂/锂铅包层首选的结构材料。研究发现液态锂和锂铅对不锈钢等多数固态金属材料具有一定的腐蚀性，也可能会导致ODS-RAFM钢机械性能的退化，特别是在高温、流动的服役环境下尤为突出，所以相容性问题是ODS-RAFM钢在液态锂/锂铅包层环境下服役亟待解决的问题之一。目前关于ODS-RAFM钢在液态锂和锂铅中的腐蚀特性尚不清楚，本项目将利用腐蚀实验平台开展液态锂/锂铅包层服役条件下ODS-RAFM钢与液态锂和锂铅的相容性研究。探明不同流速工况对ODS-RAFM钢在高温液态锂和锂铅中腐蚀行为的影响，揭示ODS-RAFM钢在高温、流动液态锂和锂铅中腐蚀的内在机理，评估包层工况下ODS-RAFM钢与液态锂和锂铅的相容性，为DEMO等未来聚变堆液态锂/锂铅包层排除潜在的安全风险问题提供重要的数据参考。

包层是实现聚变能应用的关键部件，液态金属（Li/LiPb）包层是最具有发展潜力的方案。ODS-RAFM钢有高温力学性能强、低活化、抗辐照肿胀性能强的特性，被认为是包层的候选结构材料。具有中国自主知识产权的ODS-RAFM钢必将是我国聚变堆包层的首选材料。而液态金属与ODS-RAFM钢的相容性是亟待解决的关键问题之一。本项目研制了高温液态金属腐蚀实验平台，平台最高温度达到930K，相对流速0-0.2m/s，总运行时间大于6000h。开展了国产ODS-RAFM钢（9Cr-0.4Mo-0.3Y钢）在723-823K、0-0.1m/s液态锂和锂铅中500-1000h的腐蚀实验研究。在液态锂和锂铅中9Cr-0.4Mo-0.3Y钢均发生质量损失和表面损伤。静态条件下，腐蚀速率范围为5.8E-4-3.8E-3g.m-2.h-1，耐腐蚀等级为I-III级，评估结果为很耐蚀。0.1m/s流速下，腐蚀速率为9.2E-3g.m-2.h-1，耐腐蚀等级为III级，评估结果为耐蚀。其腐蚀过程为：当钢与液态金属接触时，表面自由的碳（C）、铬（Cr）、锰（Mn）等优先选择性向锂/锂铅中溶解，使得钢表面发生孔蚀和晶界腐蚀，增加熔液与钢接触的比表面积；溶解的C与Li形成不稳定的Li2C2后迅速被Cr捕获形成稳定的碳化铬，并沉积在晶界附近，致使溶解的成份无法达到饱和而持续溶解和反应；随后熔液通过孔洞和晶界向材料内部渗透，一方面渗透的熔液如斧子般延展孔洞和晶界缝隙的尺寸，另一方面促进钢成份的溶解和反应，从而加速材料的腐蚀，严重时会使材料性能退化。高温下钢成份的溶解度增大，相关反应更容易且速率更快，从而使材料的腐蚀比低温下严重。相对于温度，时间对腐蚀的影响比较微弱。流动状态下，熔液与钢表面具有相对运动，溶解成份的浓度梯度因熔液流动而破坏，致使钢成份的快速溶解和扩散；此外，钢表面的切向力会将黏附度较低的腐蚀产物及疏松腐蚀层冲刷掉，进一步促进孔蚀和晶界腐蚀。化学反应是ODS-RAFM钢在液态锂/锂铅包层中长时间应用腐蚀的主要原因，控制钢中自由C和Cr的含量可有效缓解材料的腐蚀。本项目开展的ODS-RAFM钢在高温液态锂/锂铅中的腐蚀特性研究，可为国产ODS-RAFM钢性能的提升以及其在聚变堆液态金属包层中的腐蚀防护提供重要参考，具有重要的意义。