关于激光熔覆FeCrAlTiNb涂层在氧饱和液态铅铋共晶中的腐蚀行为和机制的见解

《Materials Today Communications》：Insights into the corrosion behavior and mechanism of laser-clad FeCrAlTiNb coating in oxygen-saturated liquid lead-bismuth eutectic

高熵合金涂层显著提升T91钢在500℃液态铅铋中的耐蚀性，形成更薄的三层氧化结构（外层磁铁矿+两内层氧化物），铝氧化物致密层及铌钛晶界富集抑制Fe、Cr、O离子扩散，减缓氧化层生长。

　　本研究聚焦于解决第四代液铅铋共晶（LBE）冷却快堆中钢组件面临的严重液态金属腐蚀（LMC）问题。LBE作为一种理想的热传导介质，因其良好的热力学性能和固有的安全性而被广泛研究和应用。然而，钢材料在LBE环境中的腐蚀现象，尤其是在温度超过450℃或流速超过2m/s的情况下，仍然对快堆系统的安全性和稳定性构成重大挑战。因此，开发有效的防护措施以增强钢材料在LBE环境下的服役性能，成为当前核能研究领域的重要课题之一。

针对这一问题，研究团队采用激光熔覆技术，在T91钢基材表面成功制备了一种FeCrAlTiNb高熵合金（HEA）涂层。高熵合金因其独特的多元素等原子比设计，能够形成稳定的固溶体微观结构，从而展现出优异的机械性能、耐腐蚀性和耐磨性。这些特性使其在极端环境下的应用前景广阔，尤其是在高温和强腐蚀性介质中。近年来，高熵合金涂层的研究逐渐增多，尤其是在液态金属冷却快堆的材料防护方面，显示出良好的发展潜力。

通过多种表征技术对FeCrAlTiNb涂层的微观结构和氧化腐蚀性能进行了系统分析。研究发现，该涂层主要由等轴晶构成，且Nb和Ti元素在晶界处富集。这种晶界元素的分布不仅影响了涂层的微观结构，还对其腐蚀行为产生了深远的影响。具体而言，Nb和Ti在晶界处的富集显著抑制了Fe、Cr和O元素的扩散，从而减缓了氧化层的生长速率。此外，涂层在500℃的氧饱和LBE环境中暴露1000小时后，形成的氧化层厚度仅为约8.8微米，远低于未涂层T91钢的氧化层厚度。这表明FeCrAlTiNb涂层在提高材料耐腐蚀性方面具有显著优势。

更值得注意的是，FeCrAlTiNb涂层表面形成的氧化层具有独特的三层结构特征，即外层为磁铁矿（Fe?O?），内层则由两种氧化物组成。这种三层结构在传统钢材料的氧化层中较为罕见，显示出涂层在氧化过程中形成复杂微观结构的能力。研究者认为，这种结构的形成可能与Al氧化物在内层的密集分布有关，Al氧化物能够有效阻碍Fe和O离子的扩散，从而减缓氧化层的生长速度。这种现象不仅有助于理解高熵合金涂层在LBE环境中的腐蚀机制，也为未来设计更高效的防护涂层提供了新的思路。

此外，研究还指出，传统的氧浓度控制策略在LBE冷却快堆系统中存在一定的局限性。虽然通过调控氧浓度可以形成适当的氧化层，但维持目标氧浓度在复杂系统中是一项极具挑战性的任务。而且，当氧化层受到流动LBE的侵蚀时，其完整性可能会被破坏，进而影响防护效果。因此，除了优化氧浓度之外，还需要开发其他有效的防护手段，以应对极端服役环境下的腐蚀问题。

激光熔覆技术在制备高熵合金涂层方面具有诸多优势。首先，该技术能够实现高能量密度的加热，使得熔覆材料在短时间内快速熔化并凝固，从而形成致密的涂层结构。其次，激光熔覆过程中，材料的加热和冷却速度非常快，有助于形成细小的晶粒结构，提高涂层的硬度和弹性模量。再者，该技术具有广泛的材料适用性，可以用于多种基材表面的涂层制备，包括不锈钢、铝合金、钛合金等。这些特性使得激光熔覆成为一种非常有前景的表面改性技术，特别是在需要高耐腐蚀性和高强度的核反应堆材料领域。

本研究通过激光熔覆技术在T91钢表面制备FeCrAlTiNb高熵合金涂层，并对其在静态氧饱和LBE环境下的氧化腐蚀行为进行了系统研究。研究结果表明，该涂层不仅具有优异的耐腐蚀性能，还表现出良好的抗侵蚀能力。这为未来在LFR系统中使用高熵合金涂层提供了重要的实验依据和技术支持。同时，研究也揭示了高熵合金涂层在LBE环境中的微观结构演变机制，为进一步优化涂层设计和提升其防护性能奠定了基础。

研究团队还特别强调了Fe和Cr作为T91钢主要合金元素的重要性。由于这些元素在基材中已经存在，因此在涂层设计中保留它们可以增强涂层与基材之间的冶金结合，从而提高涂层的附着力和整体性能。同时，Al、Ti和Nb的加入则为涂层提供了额外的保护机制。Al元素能够形成致密的氧化层，有效阻挡LBE与基材的进一步反应；Ti和Nb则通过其在晶界处的富集，抑制了Fe、Cr和O元素的扩散，从而减缓氧化层的生长速度。这种多元素协同作用的机制，使得FeCrAlTiNb涂层在LBE环境中表现出优异的耐腐蚀性能。

在实际应用中，T91钢作为一种常用的燃料包壳材料，其在LBE环境中的耐腐蚀性能直接关系到快堆系统的安全运行。通过激光熔覆技术制备的FeCrAlTiNb涂层，不仅能够有效减缓氧化层的生长，还能在一定程度上防止涂层与基材之间的剥落现象。这种涂层的稳定性和可靠性，对于提升LFR系统的长期服役性能具有重要意义。

综上所述，本研究通过激光熔覆技术成功制备了FeCrAlTiNb高熵合金涂层，并对其在LBE环境下的腐蚀行为进行了深入分析。研究结果表明，该涂层在提高钢材料耐腐蚀性方面具有显著优势，其独特的微观结构和元素分布机制为未来设计更高效的防护涂层提供了新的思路。此外，研究还强调了激光熔覆技术在制备高熵合金涂层方面的潜力，为LFR系统中材料防护技术的发展提供了重要的理论支持和实践指导。