综述：超临界二氧化碳动力循环中合金的腐蚀与防护研究综述：从腐蚀模拟、动态模拟到实验研究的视角

这篇综述聚焦超临界CO2 （sCO2 ）能源系统中耐热材料的碳化与腐蚀问题，系统探讨了材料选择、失效机制及表面强化技术，涵盖实验表征与模拟计算（如分子动力学、机器学习）。核心结论表明，Cr含量和温度是耐腐蚀性的关键因素，而预生成Cr2 O3 /Al2 O3 氧化膜可显著提升防护性能，为sCO2 系统安全设计提供理论支撑。

　　

Abstract

耐热材料在超临界CO₂
（sCO₂
）环境中的碳化与腐蚀行为直接关系到可再生能源系统的安全性。本文通过整合实验与模拟数据，揭示了材料本征特性（如Cr含量）和外部条件（温度、应力、杂质气体）对腐蚀速率的协同影响。温度主导离子扩散动力学，而应力加载会加速碳化进程。表面改性形成的连续致密Cr₂
O₃
膜可有效阻隔碳渗透，但杂质气体（如H₂
O/O₂
）可能破坏氧化层自修复能力。

Introduction

sCO₂
动力循环因其热效率高（较超临界H₂
O系统体积缩小至1/20）和负荷调节灵活（7.5% MCR/min），在太阳能、核能等领域潜力巨大。然而，材料在高温高压sCO₂
中发生的晶界碳化物析出和Cr耗竭会导致保护性氧化层破裂，引发灾难性失效。全球范围内对Fe基、Ni基等合金的腐蚀测试表明，表面预氧化和涂层技术可提升兼容性，而分子动力学模拟能有效还原实验趋势。

Experimental and characterization

实验研究发现，600°C以上sCO₂
环境中，Fe-20Cr合金的Cr₂
O₃
膜稳定性显著优于低Cr钢。杂质气体SO₂
会使氧化层局部剥落，而预氧化处理的Al₂
O₃
涂层可将碳扩散速率降低90%。透射电镜（TEM）显示晶界处M₂₃
C₆
型碳化物是应力腐蚀裂纹的起源。

Simulation and calculation

分子动力学模拟揭示了CO₂
分子在Fe(110)晶面的吸附能垒为1.2 eV，而机器学习模型通过分析10⁴
组实验数据，将腐蚀寿命预测误差控制在±15%。有限元分析表明，交变载荷下氧化层裂纹扩展速率与实验值偏差<8%。

Conclusions and prospects

未来需重点研究变负荷条件下sCO₂
腐蚀疲劳机制，开发多尺度模拟方法（从量子化学到CFD）以优化材料设计。机器学习有望解决实验数据离散性问题，而新型高熵合金涂层可能是突破方向。