奥氏体不锈钢单晶取向调控超临界CO2 中氧化膜缺陷机制与各向异性腐蚀速率关联性研究

本研究针对超临界CO2 (SC-CO2 )冷却核反应堆中奥氏体不锈钢(ASS)的晶向依赖性腐蚀问题，通过(100)、(110)、(123)取向单晶实验结合SEM/XRD/TEM表征与DFT计算，首次揭示表面能差异驱动Fe向外扩散速率与氧化膜缺陷浓度的正相关性，阐明了高表面能晶面(110)/(123)氧化速率较(100)晶面提升111.7%/137.4%的微观机制，为核反应堆材料设计提供理论依据。

　　

在追求高效紧凑的第四代核反应堆设计中，超临界二氧化碳(SC-CO₂
)冷却系统因其优异的热效率成为研究热点。然而在400-700°C、10-25 MPa的严苛工况下，SC-CO₂
对结构材料的腐蚀问题日益凸显。奥氏体不锈钢(ASS)虽具有良好耐蚀性和抗辐照性能，但实际服役中发现其氧化膜呈现显著的晶粒取向依赖性——不同取向晶粒间氧化速率差异可达数倍，导致氧化膜出现台阶状缺陷，成为裂纹萌生的温床。更棘手的是，现有研究对FCC晶体(111)<(001)<(011)的表面能-腐蚀速率理论存在争议，且SC-CO₂
特殊环境中ASS的取向效应尚未阐明。

为解决这一关键问题，中国核工业集团有限公司的研究团队在《Materials Characterization》发表创新成果。研究采用布里奇曼-斯托克巴杰法培育(100)、(110)、(123)取向的Fe-20Cr-25Ni单晶，通过100小时SC-CO₂
腐蚀实验，结合扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)等表征手段，辅以密度泛函理论(DFT)计算，系统揭示了晶体取向通过表面能调控氧化膜生长动力学的微观机制。

实验结果与讨论
晶体取向验证：电子背散射衍射(EBSD)确认单晶样品严格符合设计取向，为后续研究奠定基础。

氧化膜结构特征：所有样品均形成双层氧化膜——外层为磁铁矿(Fe₃
O₄
)，内层为尖晶石(Spinel)与刚玉的双相结构。但(110)和(123)样品氧化膜总厚度分别比(100)样品增加111.7%和137.4%，且高指数晶面样品内层出现更多纳米级孔隙。

表面能效应：DFT计算显示(110)、(123)晶面表面能较(100)晶面分别高4.5%和9.6%，这与氧化膜生长速率趋势高度一致。高表面能晶面促进Fe原子向外扩散，加速外层Fe₃
O₄
形成；同时增强的Fe-O反向扩散在尖晶石相中产生高浓度缺陷，为O₂
向内扩散开辟通道，最终形成更厚的双层氧化膜。

结论与意义
该研究首次建立ASS在SC-CO₂
环境中"晶体取向-表面能-扩散动力学-氧化膜缺陷"的定量关系模型，突破传统表面能理论的局限性。发现高指数晶面通过双重作用加速腐蚀：(1)提升Fe外扩散速率增加外层氧化膜厚度；(2)促进尖晶石相缺陷形成强化O内扩散。这一成果不仅解释工业观测中氧化膜形貌异质性的本质原因，更为核反应堆用ASS的晶界工程优化提供新思路——通过控制晶粒取向分布可显著延长材料服役寿命。研究采用的单晶模型与多尺度表征方法，也为其他合金体系腐蚀机理研究树立范式。