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Feb 21, 2024

超臨界 CO2 中での AFA ステンレス鋼の SCC における Al/Nb の役割について

npj Materials Degradation volume 6、記事番号: 56 (2022) この記事を引用する 652 アクセス数 2 引用数 メトリクスの詳細 Al および Nb 含有量が異なる一連の AFA ステンレス鋼の SCC は、

npj 材料劣化 第 6 巻、記事番号: 56 (2022) この記事を引用

652 アクセス

2 引用

メトリクスの詳細

異なるAlおよびNb含有量を有​​する一連のAFAステンレス鋼のSCCを超臨界CO2中でSSRTにより研究した。 結果は、Nb元素が機械的特性に対して析出強化の役割を果たす一方で、腐食特性に対してはほとんど影響を示さないことを示しています。 Alフリー材の表面酸化膜はアモルファスCr2O3とCrリッチスピネルのみから構成されていた。 Al を添加すると、Al2O3 層が形成され、元素の拡散が大幅に減少し、SCC の発生が抑制されます。 Fe3O4 は、Al を含まない材料と Al を含む材料の両方の亀裂の内部を充填します。 Al2O3層はAl含有材料の亀裂先端に形成されます。 マトリックス粒子が大きいため、Al2O3 保護層は亀裂先端にしか形成できず、亀裂壁上のイオンの外向き拡散を完全に妨げることはできず、亀裂伝播に対する保護効果は限られています。

超臨界二酸化炭素 (sCO2) は、高いコンパクト性、優れた圧縮性、高い熱伝達効率という利点により、原子炉などのさまざまなエネルギー システムの潜在的な流体として考えられています。 sCO2 冷却原子炉は、最も有望な第 4 世代原子炉の 1 つとなっています 3、4、5、6、7。 しかし、動作環境下での材料の破損は、徐々に sCO2 システムの開発を制限する重要な問題の 1 つになってきました8。

現在、sCO2 冷却原子炉で使用できる従来の構造材料および被覆材料には、主にフェライト/マルテンサイト (F/M) 鋼 9、オーステナイト系ステンレス鋼 10,11、およびニッケル基合金 12 が含まれます。 中でも Ni 基合金は放射性残留物が多いが、経済的コストが高すぎて大規模に適用するには適さない 13。 F/M鋼の高温耐食性は劣ります14。 550 °C sCO29 に 200 時間暴露した後の T22 鋼上の酸化膜の厚さは 32 μm を超えていました。 低温環境（亜臨界水など）にさらされたオーステナイト系ステンレス鋼や F/M 鋼では、表面に Cr2O3 や Cr を含む酸化物層が形成され、最も重要な保護の役割を果たします15。 しかし、これらの Cr 酸化膜の高温 sCO2 中での安定性はまだ不十分です 10,16,17,18。 わずか 500 h10 sCO2 に曝露された 310 および 316 ステンレス鋼の表面には、広範囲の酸化膜の剥離と多くの気孔が観察されました。これは、sCO2 冷却原子炉、特に被覆材の用途の要件を満たすことができません。

この問題を解決するには、sCO2中で高い耐酸化性を有するだけでなく、加工が容易でコストが低いという利点を維持した材料が必要となります。 したがって、当初は耐クリープ性を改善するために開発されたアルミナ形成オーステナイト (AFA) ステンレス鋼 19、20、21、22、23、24 がますます注目を集めています。 以前の研究では、800 °C の空気 25 および超臨界水 26 における AFA 鋼の質量増加は、連続的な Al2O3 層が形成されるため非常に低いことが示されています。 アルミナ (Al2O3) は Cr2O3 と同じコランダム型の格子を持っていますが、Al2O3 の熱力学的安定性はより高く 22、高温および腐食環境にさらされる材料に対してより優れた保護を提供すると期待されています 27、28、29。 Pint et al.30 は、いくつかの市販の Fe ベースおよび Ni ベースの構造合金の CO2 圧力適合性を比較し、Al 含有材料の質量増加が最も低いことを発見しました。 sCO2 中の AFA-OC6 の酸化膜は、低温または短時間曝露後では主に薄く連続した Al2O3 と (Cr, Mn)3O4 で構成されていましたが、温度と曝露時間が増加するにつれて酸化膜は複雑な多層構造を示しました 31。 さらに、Al の添加により、材料中に Ni-Al 相 20、21、22、23、24、32、33 が形成され、材料のクリープ強度も向上します。これにより、将来、高強度材料における AFA 鋼の応用可能性が向上します。温度 sCO2 環境。 鋼の一般的な耐食性も、Al 添加量の増加に伴って鉛-ビスマス共晶中で強化されましたが、酸素濃度が低い場合にのみ連続的な Al に富んだ酸化膜が形成されました 34,35。