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宁波材料所在事故容错型包壳涂层腐蚀研究方面取得进展
作者:,日期:2021-06-09

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  在碳中和的大背景下实现经济持续发展,离不开各种先进的清洁能源技术,H能在其中将发挥重要作用。H能的高安全是社会稳定和能源持续发展的重要基石,尤其在日本福岛H电站事故发生后,事故容错型燃料(ATF,Accident Tolerant Fuel)已经成为国际H能研发机构和工业界普遍致力的研发方向。主流事故容错型包壳管技术主要包括全替换型包壳管结构材料(如SiC、FeCrAl)和表面增强型锆合金材料(如Cr或其它合金涂层材料)。从实际应用角度来看,事故容错型包壳管受到多种苛刻环境因子的作用,因此对结构材料和涂层材料在正常服役工况(主要为超临界热水腐蚀和辐照损伤)和事故环境下(主要为高温水蒸气氧化)的结构稳定研究是目前关注的重点。

  近期,中国科学院宁波材料技术与工程研究所先进能源材料工程实验室就上述主题开展了系列工作,深入研究包壳管材料在超临界水腐蚀、高温水蒸气氧化、高温熔盐、离子辐照等环境因素作用下的结构演变过程和失效机理,获得提高事故容错时效性的关键因素。并在此基础上,设计出若干种新型高效包壳管环境屏蔽涂层,大幅度提高了包壳管材料的事故容错时效性和综合防护能力,为事故容错包壳管的发展和应用提供设计思路和基础。①梯度涂层:通过构建Cr(Al,Si)涂层的成分梯度,从控制元素扩散角度入手形成薄氧化物/厚金属双层结构,降低生长应力,解决了氧化物隔离层易开裂、防护时间短等问题(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高熵涂层:一种新型的非晶高熵FeCrAl基涂层,通过在高温水蒸气氧化中原位形成一层连续且致密的Zr/Si扩散阻挡层,有效地抑制了基体Zr元素的外扩散,从而解决了Zr合金材料亲氧性强的问题(Corrosion Science 189 (2021) 109566)。③熔盐腐蚀:在SiC基体上沉积Cr基涂层,通过元素扩散形成晶界强化和氧化物隔离两种耐蚀机制,能有效解决SiC在高温熔盐中的晶界腐蚀问题(Corrosion Science 184 (2021) 109361)。

  以上工作受到实验室“青年人才托举计划”的资助,已申请9项中国发明专利(ZL201811268095.X、ZL201811268906.6、201910905033.3、201910905746.X、201911120712.6、201911397370.2、202010947693.0、202011623564.2、202011618645.3)。

图1 梯度涂层经高温水蒸气氧化后的表/截面结构(左)和应力场分布图(右)

图2 FeCrAl基多元非晶合金涂层/锆合金经1200℃水蒸气氧化后的截面形貌图

图3 高温熔盐腐蚀后的涂层/SiC截面结构成分图,通过晶界强化和氧化物隔离有效地抑制了SiC的熔盐腐蚀

  (先进能源材料工程实验室供稿)

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