钼元素调控的富钆FeCrNiMo合金在硼酸溶液中的腐蚀行为机制研究

为解决核废料存储环境中结构功能一体化材料的腐蚀问题，研究人员开展了富钆FeCrNiMo合金在40℃硼酸溶液中的腐蚀特性研究。通过电化学测试和长期浸泡实验发现，增加Mo含量可降低合金失重率，抑制(Ni,Fe,Cr)5Gd相剥离，并通过第一性原理计算揭示了Mo提升钝化膜稳定性的机制。该研究为核废料屏蔽材料设计提供了重要理论依据。

　　

随着核能应用的快速发展，如何处理具有强放射性的乏燃料(SNF)成为重大挑战。目前乏燃料池(SFP)中常用的铅/硼聚乙烯和Al-B₄C复合材料存在机械性能差、易腐蚀等问题，而传统硼化不锈钢又因硼偏聚导致加工性能恶化。更棘手的是，这些材料需要与结构材料组装使用，不仅增加设备体积和成本，还可能因电偶效应加速腐蚀。

上海大学材料研究院的研究人员另辟蹊径，将具有超高热中子吸收截面(48,800 barns)的钆(Gd)元素引入合金设计，并创新性地通过调控镍(Ni)含量使合金中形成高熔点的M₅Gd相(M=Fe/Ni/Cr)，解决了传统M₃Gd相熔点低导致的加工难题。在此基础上，团队进一步研究钼(Mo)元素对合金在模拟乏燃料池环境(40℃硼酸溶液)中腐蚀行为的影响机制，相关成果发表在《Applied Nursing Research》。

研究采用真空感应熔炼制备不同Mo含量(0-4 wt%)的FeCrNiMoGd合金，通过电化学测试、长期浸泡实验结合SEM/EDS等表征手段，并运用第一性原理计算揭示微观机制。关键发现包括：

Morphology of alloys before testing
显微组织分析显示所有合金中(Ni,Fe,Cr)₅Gd相均呈颗粒状均匀分布，Mo元素主要固溶于基体而非富集在Gd相。

Analysis of EIS spectra
电化学阻抗谱拟合发现，含Mo合金的钝化膜电阻显著提高，Mo4合金的电荷转移电阻达Mo0合金的3.2倍，表明Mo促进致密钝化膜形成。

Conclusion
主要结论包括：1) Mo添加使腐蚀电流密度降低50%以上，4 wt% Mo合金在30天浸泡后失重率最低；2) Mo通过抑制基体/(Ni,Fe,Cr)₅Gd界面优先溶解，减少Gd相脱落；3) 第一性原理计算证实Mo-O键结合能高于Fe/Cr-O键，增强钝化膜稳定性。

该研究首次系统阐明了Mo元素在富钆合金腐蚀过程中的"三重保护机制"：降低基体溶解活性、抑制阴极相脱落、稳定钝化膜。这不仅为开发新型核废料屏蔽材料提供了关键数据，其"成分设计-微观结构-腐蚀机制"的研究范式对其它功能结构一体化材料开发也具有重要借鉴意义。特别值得注意的是，相比传统镍基合金，这种FeCrNiMoGd合金在保持优异加工性能的同时成本降低30%以上，展现出显著的工程应用价值。