Fe13Cr6Al合金在静态氧饱和铅铋共晶中的腐蚀行为机制与多层氧化膜生长动力学研究

本文系统研究了Fe13Cr6Al合金在550℃静态氧饱和铅铋共晶（LBE）中的腐蚀行为，通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和扫描进动电子衍射（SPED）等技术，揭示了多层氧化膜（Pb-Fe氧化物/Fe3O4/Fe-Cr-Al尖晶石/内氧化区IOZ）的形成机制，首次发现Fe3O4与基体的取向关系，提出固态生长模型，为第四代铅冷快堆（LFR）结构材料设计提供理论支撑。

　　

Highlight

本研究通过先进表征技术揭示了Fe13Cr6Al合金在550℃静态氧饱和铅铋共晶（LBE）中的腐蚀行为。多层氧化膜结构（Pb-Fe氧化物/Fe₃O₄/Fe-Cr-Al尖晶石/内氧化区IOZ）的形成机制被系统阐明，其中Fe₃O₄层的消失与铅铋共晶的固相反应直接相关。

Material

实验采用真空感应熔炼制备的Fe13Cr6Al合金板（成分见表1），经1200℃/2h均匀化退火后热锻轧制，最终通过冷轧和再结晶退火获得目标材料。

Microstructure of the Fe13Cr6Al alloy

电子背散射衍射（EBSD）分析显示合金为典型铁素体结构，平均晶粒尺寸15μm，晶界分布均匀（图1）。这种结构为后续腐蚀过程中的元素扩散提供了重要通道。

General corrosion process

腐蚀过程呈现动态演变：

1. 1.

   初期（<200h）：形成完整四层结构，其中Fe₃O₄层通过固态生长机制形成，与底层尖晶石存在晶体学取向关系

2. 2.

   长期（2000h）：Fe₃O₄层消失，转变为Pb-Fe氧化物，证实了LBE参与固相反应的假说

3. 3.

   内氧化区（IOZ）中Cr₂O₃与α-Fe基体存在{0001}_Cr?O?//{111}_α-Fe取向关系，符合Wagner内氧化理论

Conclusions

1. 1.

   氧化腐蚀特征表现为Pb-Fe氧化物/Fe₃O₄/Fe-Cr-Al尖晶石/IOZ的多层结构

2. 2.

   Fe₃O₄层在200h后消失源于其与LBE的固相转化反应

3. 3.

   SPED首次揭示Fe₃O₄与尖晶石的晶体学关联，支持固态生长机制

4. 4.

   IOZ生长动力学符合抛物线规律，与经典理论高度一致