550 °C下金离子辐照对贫氧静态及流动铅铋共晶（LBE）环境中TiNbCrMoV高熵合金涂层氧化及侵蚀行为的影响

《Surface and Coatings Technology》：Effect of Au-ion irradiation on the oxidation and lead-bismuth eutectic (LBE) attack behaviors of TiNbCrMoV high-entropy alloy coating in oxygen-poor static and flowing LBE at 550 °C

　　

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  研究了TiNbCrMoV高熵合金涂层在贫氧静态和流动LBE中的腐蚀行为。
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  LBE通过Pb、Bi和O沿晶界渗透侵蚀涂层。
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  辐照诱导的缺陷加剧了涂层与液态金属之间元素的相互扩散。

引言

液态重金属铅铋共晶合金（LBE）因其卓越的核性能和热物性，被认为是第四代铅冷快中子反应堆（LFR）的候选冷却剂之一[1]、[2]、[3]。铁素体/马氏体（F/M）钢因其优异的高温强度和抗孔型肿胀性能，被选为候选结构材料之一[4]、[5]。然而，F/M钢因与LBE的相容性差而会受到氧化和溶解腐蚀的侵蚀，这威胁到LFR的安全运行[6]、[7]。因此，提高结构材料与LBE之间的相容性迫在眉睫[8]。

作为减缓腐蚀的有效方法之一，涂层技术为提高相容性提供了良好支持[8]、[9]。通过在钢基体表面沉积合适的涂层可以改善耐腐蚀性。因此，材料的选择至关重要。迄今为止，已经研究了包括陶瓷和金属在内的各种涂层材料[9]、[10]。其中，高熵合金（HEA）作为一种新材料，为涂层设计提供了更多的潜在选择[11]、[12]、[13]、[14]。然而，大多数HEA涂层是在饱和氧条件下进行测量的，这限制了对HEA涂层的进一步评估。考虑到LBE对材料的影响兼具氧化和溶解两种机制，有必要研究HEA涂层在贫氧条件下的腐蚀行为。目前，只有少数HEA涂层得到了研究。Liang等人[15]测试了FeCrAlTiNb涂层在500°C、含氧10^?7 wt%的静态LBE中1000小时的腐蚀行为，结果显示形成了相对致密的氧化膜。Wang等人[16]研究了AlCrFeNiNb涂层在550°C、氧浓度为5×10^?7 wt%的LBE中1000小时的耐腐蚀性，指出孔隙的存在增加了溶解腐蚀的风险。Yang等人[17]还发现涂层内部的裂纹增加了FeCrAlTiMo涂层在LBE中的溶解。Jin等人[18]进一步对FeCrAlTiMoSi涂层进行了贫氧LBE腐蚀测试，并揭示了涂层表面形成了多孔氧化膜。这些结果表明HEA在贫氧LBE中可能表现出不同的腐蚀行为。因此，需要进一步研究HEA涂层在贫氧条件下的腐蚀行为。此外，上述贫氧实验是在静态LBE中进行的。如果研究HEA在贫氧静态和流动LBE中的性能，将有助于评估HEA涂层在贫氧条件下的耐腐蚀性。TiNbCrMoV涂层从众多HEA涂层中筛选出来，因为它在含氧饱和LBE中表现出优异的成分和结构稳定性以及良好的抗氧化性[19]，且与上述体系不同，对其研究将有助于了解HEA涂层在贫氧LBE中的腐蚀行为。

结构材料也受到强辐照的影响。辐照会诱导缺陷的形成并影响材料的腐蚀行为。在含氧饱和条件下，缺陷的存在将促进氧化物的形成并影响材料的耐腐蚀性[3]、[20]、[21]、[22]、[23]。在贫氧条件下，辐照也可以通过修改表面使材料更容易受到LBE的渗透，从而降低其性能[24]、[25]。因此，研究辐照对TiNbCrMoV涂层腐蚀的影响有助于进一步了解其在贫氧LBE中的腐蚀行为。此外，本研究可以为涂层材料的选择提供重要参考。

本研究中，研究了TiNbCrMoV涂层在550°C、1000小时、贫氧静态和流动LBE中的腐蚀行为。此外，还对接受Au离子辐照至2.22×10¹⁶ ions/cm²通量的涂层在相同条件下进行腐蚀测试，以研究缺陷对腐蚀的影响。通过分析腐蚀形貌和腐蚀产物，总结了原始涂层和辐照涂层的氧化和LBE侵蚀行为。探索了腐蚀机制并提出了示意图。结果表明辐照不仅增厚了氧化膜，还影响了Pb-Bi向涂层内部的渗透。

章节摘要

材料

选择12Cr铁素体/马氏体钢（Fe-11.6 wt% Cr，1.5 W，1.1 Mn，0.3 Ni）作为涂层基体。所有F/M钢基体（5 mm×3 mm×1 mm）依次用SiC砂纸研磨至3000目，用金刚石研磨膏抛光，并用乙醇超声清洗。然后，通过磁控溅射将涂层沉积在制备好的基体上。靶材为TiNbCrMoV块体合金（99.95 wt%，北京中诺先进材料）。

相结构鉴定

图3显示了原始涂层和辐照涂层在550°C下经静态和流动LBE腐蚀1000小时后的XRD图谱。表面未进行Pb-Bi去除清理。对于沉积态涂层，图谱由约40.0°处强度最高的涂层衍射峰BCC₍₁₁₀₎（另外两个峰分别位于约72.7°和约86.5°）以及三个强度较低的基体衍射峰（分别位于约44.6°、约64.9°和约82.1°）组成。经过100 dpa的Au离子辐照后，出现了一个新的BCC峰。

讨论

在前一节中，涂层内部结构分析证明了在贫氧条件下发生了氧化和LBE侵蚀。此外，辐照在静态和流动LBE条件下都影响了涂层中的这些行为。本节主要研究辐照对腐蚀行为的影响机制。

结论

本研究中，在550°C、含氧~10^?8 wt%的静态和流动LBE中，对原始涂层和通量为2.2×10¹⁶ ions/cm²的辐照TiNbCrMoV涂层进行了腐蚀测试，以研究辐照对腐蚀行为的影响。讨论了涂层的氧化和LBE侵蚀行为，并阐明了相应机制。结果得出以下结论：

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  原始TiNbCrMoV涂层在静态条件下表现出氧化和LBE侵蚀行为。

CRediT作者贡献声明

邓九国：撰写–审阅与编辑、撰写–初稿、方法论、调查、构思。潘阳：方法论、调查。肖双福：调查。周明阳：调查。邱茜：调查。龙子尧：调查。尹春宇：调查。杨济军：撰写–审阅与编辑、监督、资源、项目管理、数据管理、构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号U2241235和12305317）和四川省科技计划（编号24NSFSC0948）的支持。

邓九国|潘阳|肖双福|周明阳|邱茜|龙子尧|尹春宇|杨济军