辐照FeCrAlY涂层在缺氧流动铅铋共晶中的腐蚀行为与防护机制研究

为解决铅冷快堆(LFRs)结构材料在流动铅铋共晶(LBE)中的腐蚀问题，研究人员通过磁控溅射制备Fe15Cr11Al0.5Y涂层，采用6 MeV Au2+辐照模拟中子损伤，系统研究了缺氧(1.6×10-8 wt% O2)、流动LBE(1.9 m/s)环境下涂层的微观结构演变与腐蚀行为。发现辐照诱导晶粒粗化与位错增殖加速腐蚀，但保留FeCr2O4/Fe(Cr,Al)2O4/κ-Al2O3三层氧化结构，为核反应堆材料防护提供关键数据。

　　

在核能领域，铅冷快堆(LFRs)因其优异的中子性能和高温热物理性质被视为第四代核能系统的候选者，但结构材料与铅铋共晶(LBE)冷却剂的兼容性问题长期制约其工程应用。特别是在动态流动条件下，材料表面氧化层易受流体剪切力破坏，导致腐蚀速率急剧上升。传统铁素体/马氏体钢和奥氏体钢在流动LBE环境中常因氧化层失效而发生溶解腐蚀。如何提升结构材料在复杂工况下的抗LBE腐蚀能力，成为亟待突破的技术瓶颈。

针对这一挑战，四川大学核科学与技术研究所的王荣硕团队在《Journal of Materials Research and Technology》发表研究，通过磁控溅射制备Fe15Cr11Al0.5Y涂层，采用6 MeV Au²⁺离子辐照模拟中子损伤（最高达100 dpa），系统考察了缺氧（氧浓度1.6×10^-8 wt%）和流动LBE（流速1.9 m/s）环境下涂层的性能演变。研究结合原子力显微镜(AFM)、透射电镜(TEM)和纳米压痕等技术，揭示了辐照损伤与流动腐蚀的协同作用机制。

关键实验方法

1. 1.

   涂层制备：采用磁控溅射在F/M钢基底沉积Fe15Cr11Al0.5Y涂层，工作压力0.58 Pa，沉积功率300 W。

2. 2.

   离子辐照：使用3 MV串列加速器进行6 MeV Au²⁺辐照，通量8.33×10¹² ions·cm^-2·s^-1，模拟10-100 dpa损伤。

3. 3.

   LBE腐蚀：在550°C、氧浓度1.6×10^-8 wt%的流动LBE中进行1000小时腐蚀测试，流速1.9 m/s。

4. 4.

   表征技术：通过场发射扫描电镜(FESEM)、X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)和纳米压痕等分析微观结构与力学性能。

研究结果

3.1 辐照涂层的微观结构观察

辐照导致涂层表面粗糙度呈非单调变化（10 dpa时降低23%，100 dpa时增加29%），源于溅射效应与热致粗糙化的竞争。高剂量辐照（100 dpa）未引发相变或元素偏析，但诱发晶粒尺寸从15.9 nm增至22.5 nm，位错密度显著提升。

3.2 辐照涂层的力学性能

纳米压痕显示硬度随辐照剂量递增（100 dpa时提升8.93%），源于位错网络致密化导致的源硬化。应变速率敏感度(SRS)从0.860降至0.839，表明辐照降低材料蠕变抗力。

3.3 辐照后FeCrAlY涂层的腐蚀表征

所有涂层均保持FeCr₂O₄/Fe(Cr,Al)₂O₄/κ-Al₂O₃三层氧化结构，但辐照加速外层FeCr₂O₄增厚（100 dpa时氧化层厚度达134.1 nm）。κ-Al₂O₃沿晶界定向内氧化，且辐照促进Al元素溶解，导致尖晶石层中形成孔洞。

4.4 界面与α′相形成机制

涂层-基底界面处存在Fe(Cr,Al)₂O₄/κ-Al₂O₃过渡层，源于沉积过程中的氧污染。高温腐蚀诱发α′-Cr相析出，但未发现辐照导致的元素偏析。

结论与意义

该研究首次阐明高剂量辐照（≥100 dpa）对FeCrAlY涂层在缺氧流动LBE中腐蚀行为的影响机制：辐照缺陷促进元素扩散，抵消钇(Y)的扩散抑制作用，导致氧化层增厚与局部剥落；但三层氧化结构仍能有效阻隔Pb/Bi渗透。研究成果为LFRs结构材料设计提供关键数据，证实纳米晶FeCrAlY涂层即使在高辐照损伤下仍具备工程应用潜力。未来需进一步优化涂层成分（如调整Y含量）以平衡辐照与腐蚀的协同效应。