渗透氢、晶界类型和碳化物对600TT合金在高温水中的晶间氧化的协同作用

《Journal of Materials Science & Technology》：Synergistic effects of permeated hydrogen, grain boundary type, and carbide on the intergranular oxidation of Alloy 600TT in high temperature water

氢渗透加速镍基合金600TT晶界氧化及机理研究|摘要：

　　本文研究了氢渗透对热处理合金600（Alloy 600TT）在高温水环境中晶界氧化行为的影响。合金600TT是压水堆（PWR）蒸汽发生器（SG）管材的重要材料，其在运行过程中面临复杂的环境条件，包括高温、高压以及腐蚀性介质。研究团队通过双暴露实验，结合原位氢充注和全面的微观结构表征，系统地分析了氢渗透如何改变晶界氧化机制，并揭示了晶界类型和碳化物分布对氧化行为的调控作用。

在研究中，观察了24个晶界截面，发现氢渗透显著加速了晶界氧化，尤其是在随机高角度晶界（RHGBs）处，氧化深度和宽度明显增加。相比之下，相干孪晶界具有更强的抗氧化能力。此外，半连续分布的晶界碳化物在晶界表面形成了不均匀的氧化起始敏感性，这表明晶界处的碳化物含量和分布对氧化行为具有重要影响。当没有氢渗透时，碳化物能够形成保护性的铬富集氧化层，从而有效抑制氧化。然而，氢渗透会破坏这种保护机制，通过诱导氧化层的非晶化和界面空洞，最终导致氧化加速和氧化层退化。

研究团队还探讨了氢渗透与晶界类型之间的相互作用，特别是在RHGBs和CTBs（相干孪晶界）之间的差异。他们发现，RHGBs在高温水环境中更容易受到氧化和腐蚀的影响，而CTBs则表现出更高的抗腐蚀能力。这种差异可能与晶界处的原子密度、扩散速率以及结构稳定性有关。此外，氢渗透还可能影响晶界处的局部应变场，从而加剧氧化和裂纹的形成。

研究进一步指出，尽管已有大量研究探讨过晶界类型和碳化物沉淀对氧化行为的独立影响，但氢渗透与晶界退化之间的相互作用仍缺乏深入理解。某些研究认为氢渗透会促进晶界处的应力腐蚀裂纹形成，而另一些研究则发现氢渗透能够抑制晶界氧化。这种矛盾的结果可能源于对晶界类型在氧化过程中的具体作用缺乏区分。因此，本研究旨在通过系统的实验分析，揭示氢渗透在晶界氧化过程中的关键作用，并探讨其与晶界特性和碳化物分布的协同效应。

研究采用了高温水浸入实验，并结合原位氢充注入和微分析技术，对晶界氧化行为进行了详细表征。实验结果表明，氢渗透不仅改变了氧化层的形态和组成，还影响了晶界处的化学反应动力学和物理稳定性。通过对比不同晶界类型的氧化行为，研究团队发现RHGBs在氢渗透条件下更容易受到氧化影响，而CTBs则表现出较强的抗氧化能力。这种差异可能与晶界处的结构特征、原子扩散路径以及氧化反应的激活能有关。

此外，研究还发现，碳化物的分布对晶界氧化行为具有显著影响。半连续分布的碳化物在晶界表面形成了不均匀的氧化起始敏感性，使得某些区域更容易发生氧化反应。而碳化物的溶解则提供了持续的铬元素供给，有助于形成保护性的铬富集氧化层。同时，碳化物的溶解还可能抑制扩散诱导晶界迁移（DIGM）现象，从而维持晶界的稳定性。然而，碳化物周围的局部铬贫化区则成为氧化反应的敏感区域，容易受到渗透离子的攻击。

研究团队还指出，晶界处的局部应变场可能对高温水环境下的氧化和裂纹形成产生重要影响。在高应变速率条件下，应变场可能加剧晶界氧化，从而降低材料的耐腐蚀性能。因此，理解氢渗透与晶界氧化之间的相互作用，对于评估蒸汽发生器管材在压水堆环境中的服役寿命和安全性具有重要意义。

本研究的结果不仅有助于揭示氢渗透在晶界氧化过程中的具体作用，还为理解晶界退化机制提供了新的视角。通过分析不同晶界类型的氧化行为，研究团队发现RHGBs在氢渗透条件下更容易发生氧化，而CTBs则表现出较强的抗氧化能力。这种差异可能与晶界处的结构特征、原子扩散速率以及氧化反应的激活能有关。同时，碳化物的分布对晶界氧化行为具有显著影响，半连续分布的碳化物在晶界表面形成了不均匀的氧化起始敏感性，使得某些区域更容易发生氧化反应。

研究还强调了氢渗透与晶界氧化之间的复杂相互作用，这种相互作用可能影响氧化层的形成、稳定性以及退化过程。通过实验分析，研究团队发现氢渗透不仅改变了氧化层的组成和形态，还影响了晶界处的化学反应动力学和物理稳定性。这些发现为理解氢渗透在高温水环境下的作用机制提供了重要的实验依据，同时也为开发更耐腐蚀的材料提供了理论支持。

综上所述，本研究通过系统的实验分析和微观结构表征，揭示了氢渗透对热处理合金600在高温水环境中晶界氧化行为的影响。研究发现，氢渗透显著加速了晶界氧化，特别是在RHGBs处，而CTBs则表现出较强的抗氧化能力。同时，碳化物的分布对晶界氧化行为具有重要影响，半连续分布的碳化物在晶界表面形成了不均匀的氧化起始敏感性，使得某些区域更容易发生氧化反应。这些发现不仅有助于理解氢渗透在晶界氧化过程中的具体作用，还为评估蒸汽发生器管材在压水堆环境中的服役寿命和安全性提供了重要的理论依据。