几种合金材料在超临界水中的腐蚀行为研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 孙明成 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2009-12-15 |
| 授予单位 | 中国科学院金属研究所 |
| 授予地点 | 金属研究所 |
| 导师 | 韩恩厚 |
| 关键词 | 不锈钢 镍基合金 铁素体/马氏体不锈钢 超临界水 氧化膜 |
| 其他题名 | Corrosion Behavior of Several Alloys in Supercritical Water |
| 学位专业 | 腐蚀科学与防护★ |
| 中文摘要 | 超临界水（SCW）是指当温度大于374.15oC、压力大于22.1MPa时水的状态。超临界水氧化（SCWO）是利用超临界水能与有机物、O2等完全互溶、传质快的特点，将有机废物迅速、彻底地氧化分解成无害的小分子物质的技术。SCW还具有比热容大、传热系数高的特点，可以作为超临界火电机组以及超临界水核反应堆的冷却介质，极大地提高热效率。在高温、高压环境下服役的超临界水设备的腐蚀问题成为阻碍超临界水工业化应用的关键问题之一。本文利用自主研制的超临界水腐蚀实验装置，开展了超临界水环境下的腐蚀实验。利用扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子谱（XPS）等技术手段，结合SCW性质的计算分析，系统表征了几种合金材料在SCW环境下的氧化腐蚀行为与腐蚀产物膜特征，深入研究了SCWO腐蚀过程和机理。 研究的材料为（1）316奥氏体不锈钢：作为结构材料，具有价格低、耐腐蚀性较好、工业应用广泛的特点，而且已经大量应用在高温高压水的环境中；（2）镍基合金625：在高温高压环境中具有优异的耐各种介质腐蚀的能力，是目前用于建造SCWO试验设备的主要材料之一，并且在SCW核电和SCW煤的汽化中具有潜在应用价值；（3）铁素体/马氏体不锈钢P92：具有优异的抗热疲劳性和优良的抗氧化性，目前大量应用于超临界和超超临界火电机组的主蒸汽管道上。 主要研究进展和结果如下： 1．设计建造了超高温超高压静态SCW釜，设计温度和压力达到700oC和35 MPa；改造升级了循环SCW腐蚀试验设备，实验温度和压力可以达到600oC和30 MPa。 2．利用循环SCW腐蚀试验设备研究了316不锈钢在含2% H2O2亚临界水（350oC）和超临界水（400oC、450oC、500oC）中的腐蚀增重规律，分析了腐蚀产物膜的形貌、结构和化学组成。发现316不锈钢在SCWO环境中的氧化膜较厚（0.6 μm-2.5 μm），为多层结构，从表层向内依次为(Fe,Cr)2O3/Fe3O4+FeCr2O4/Cr2O3/富Ni层/316 SS基体。基体和氧化膜界面处有一明显的富镍薄层。腐蚀产物膜截面的TEM分析表明，氧化膜外层为(Fe,Cr)2O3，靠近基体的一侧含有更多的Cr；氧化膜的内层为Fe3O4+FeCr2O4。富Fe外层是Fe向外传输的结果，富Cr内层是由氧向内传输形成的。由于Fe2O3和Cr2O3晶体结构相同，点阵常数也相近，因此Fe2O3中可以掺杂Cr成为(Fe,Cr)2O3；Fe3O4中掺杂Cr以后的晶体结构从反尖晶石结构的Fe3O4逐渐向尖晶石结构的FeCr2O4转变，而后者比前者更致密，抗氧化性能更好。 3．利用循环SCW腐蚀试验设备研究了镍基合金625在400oC-500oC超临界水中腐蚀增重规律及腐蚀产物膜特征。发现镍基合金625上形成的氧化膜相对于316不锈钢较薄（0.72 μm-1.42 μm），但是保护性能很好，腐蚀增重在氧化膜形成以后很缓慢。不同温度SCWO中形成的腐蚀产物膜的表面和截面的分析发现，产物膜为多层结构，外层是富Ni的氧化物，内层是富Cr的氧化物，确定氧化膜结构由表层向内为Ni(OH)2/NiO/NiCr2O4/Cr2O3/Alloy 625基体，其中富Ni外层可能是通过溶解/沉淀机制形成，富Cr的内层是由氧向内传输形成的。 4．利用超高温超高压静态SCW釜研究了P92在400oC-600oC之间，压力为25 MPa除氧SCW中的腐蚀增重行为，总暴露腐蚀时间为500 h。发现P92在除氧的SCW中的增重曲线符合抛物线规律。其腐蚀产物膜的厚度分别为3.8 μm（400oC）、11.2 μm（500oC）、18.3 μm（550oC）和45.3 μm（600oC）。腐蚀产物膜截面的TEM分析表明，P92在400oC SCW中暴露500 h后形成的氧化膜外层为Fe3O4，内层为Fe3O4+FeCr2O4。发现合金中的W元素氧化形成W3O8，以细小的晶粒嵌入在Fe3O4大晶粒中，可能对P92的抗氧化性能产生不利影响。600oC时形成的氧化膜过厚导致表面出现裂纹，成为氧通过氧化膜向内传输的一个快速通道，从而使P92在600oC时的增重比400oC-550oC时大得多。外层大颗粒的Fe3O4可能是通过Fe不断向外扩散形成的，氧向内传输形成了Fe3O4+FeCr2O4内层。 5．计算研究了SCW的性质，定性预测了SCW的压力对腐蚀速率的影响，研究了温度和压力对SCW中HCl的电离常数的影响。结果发现，增大压力会导致亚临界和SCW中合金腐蚀速率增大，特别是在临界点附近，压力变化显著影响腐蚀速率。HCl的电离常数随着SCW温度升高和压力的降低而减小，腐蚀速率也会减小。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2012-04-10 |
| 页码 | 127 |
| 源URL | [http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/17277]  |
| 专题 | 金属研究所_中国科学院金属研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 孙明成. 几种合金材料在超临界水中的腐蚀行为研究[D]. 金属研究所. 中国科学院金属研究所. 2009. |
入库方式： OAI收割
来源：金属研究所
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