|
Zimina M, Warren A D, Coghlan L, et al. The role of pressure in carburisation: Crack dynamics in Type 316H austenitic stainless steel under CO2 environments[J]. Journal of Nuclear Materials, 2025, 606: 155625.
Zimina, Mariia, et al. "The role of pressure in carburisation: Crack dynamics in Type 316H austenitic stainless steel under CO2 environments." Journal of Nuclear Materials 606 (2025): 155625. (): .
Zimina, M., Warren, A. D., Coghlan, L., Thomas, P. J., Chevalier, M., Flewitt, P. E., & Martin, T. L. (2025). The role of pressure in carburisation: Crack dynamics in Type 316H austenitic stainless steel under CO2 environments. Journal of Nuclear Materials, 606, 155625., .
背景简介
先进气冷核反应堆（Advanced gas-cooled nuclear reactor, AGR）以高温高压CO2作为冷却剂，其钢结构部件在运行中会面临氧化与渗碳问题，是限制电厂寿命的关键因素之一。特别是AGR过热器分叉管和尾管所采用的AISI 316H奥氏体不锈钢，其焊缝区域易因渗碳而引发裂纹。尽管针对这类钢在CO2环境中的氧化行为已有广泛研究，但气体压力对渗碳过程的影响机制尚不充分，尤其是在裂纹尖端局部的渗碳行为及其对裂纹扩展的驱动机制。
本研究通过对比实际服役AGR管线部件与实验室模拟试样，旨在阐明CO2压力在316H不锈钢裂纹尖端渗碳过程中的关键作用。研究比较了在空气、常压CO2以及模拟AGR高压CO2（4.14 MPa）环境下进行蠕变裂纹扩展测试的试样，并与已服役14.5万小时的AGR焊接管段（含渗碳裂纹）进行对比。借助SEM、EDS、EBSD等电子显微技术，表征了裂纹尖端及基体区域的微观结构与化学成分，从而揭示压力环境影响渗碳和裂纹扩展的微观机制。
成果介绍
（1）裂纹尖端的渗碳行为显著依赖于CO2气体压力，在实际服役和模拟AGR高压CO2环境下的试样中，裂纹尖端前方的晶界处可观察到明显的Cr富集和Fe贫化（图1 (e)，图2 (g-h)），并伴有粗大碳化物的析出（图2 (d)，图3）。相比之下，在常压空气或常压CO2环境中测试的试样，其裂纹尖端区域未发现此类Cr富集现象，该条件下碳化物的尺寸分布与材料基体相似，其主要源于长期热老化作用，而非环境渗碳所致。
.png)
图1 服役过的316H焊管裂纹尖端化学成分图：(a) 氧; (b) EBSD相图; (c) 镍EDS图; (d) 裂纹尖端区域SE显微照片; (e) 铬和(f) 铁EDS图；(g) 裂纹尖端前方区域的SE显微照片，黄色箭头表示孔洞，以及(h) 镍、(i) 铬和(j) 铁EDS图
.png)
图2 模拟AGR楔形载荷测试过程中形成的裂纹SEM显微照片：(a)–(c) 裂纹从缺口到裂纹尖端的不同位置; (d) 裂纹区域前方的XeF2蚀刻图，黄色箭头表示晶界孔洞; (e) 裂纹尖端区域的SE显微照片（(c) 中的黑色矩形区域）以及(f)-(h) 裂纹尖端区域EDS元素分布图
.png)
图3 退役316H不锈钢焊管的SEM显微照片：(a) BSE和(b) XeF2裂纹尖端蚀刻图; (c) BSE和 (d) XeF2裂纹尖端前方区域蚀刻图。黄色箭头表示晶界孔洞
（2）在实际服役与模拟AGR的高压CO2条件下，裂纹内部形成了连续的尖晶石/磁铁矿双层氧化膜（图2 (a)）。在模拟AGR试样中，氧化膜向裂纹尖端逐渐减薄并变得不连续（图2 (c)）。相比之下，在常压CO2环境中，裂纹尖端部分区域被氧化物填充；而在空气中，裂纹末端约200 μm范围内未观察到明显氧化物。这些氧化物的分布与填充会影响裂纹尖端的应力状态和气态反应物的传输，进而影响裂纹扩展行为。
（3）通过FIB/XeF2蚀刻技术清晰揭示了晶界碳化物析出情况，在所有试样的基体区域均观察到先前存在的碳化物。关键区别在于，仅在实际服役和模拟AGR的高压CO2环境下，裂纹尖端前方的晶界处出现了连续的、粗化且与Cr富集相关的碳化物析出带（图2 (d)，图3 (b)和(d)），这表明发生了由环境驱动的渗碳过程。而在常压条件下，裂纹尖端未发现与Cr富集相关联的额外碳化物形成，从而排除了单纯由敏化导致的可能性。此外，在高压CO2环境试样中，裂纹尖端前方晶界处观察到了蠕变空穴（图2 (d)，图3(b)和(d)），尤其在模拟AGR试样中空穴数量显著，而常压环境试样中则未观察到类似显著的空穴现象。
（4）基于观察结果，本研究提出了一个压力依赖的裂纹扩展微观机制模型（图4、5）。在高压CO2环境下，气体更容易通过氧化层缺陷或裂纹传输至无氧化物覆盖的裂纹尖端。高压提高了CO分压，从而促进Boudouard反应（2CO → CO2 + C），导致碳在裂纹尖端前方晶界处活性增加。碳沿晶界快速扩散，与Cr反应形成或粗化M23C6型碳化物，造成局部Cr富集和Fe贫化。粗大碳化物会引起应力集中，促进晶界空穴形核和连接，最终加速沿晶裂纹扩展。而在常压下，氧气扩散相对更快，易于在裂纹尖端形成保护性氧化层，抑制了碳的深入渗透，因此未发生显著的局部渗碳现象。
.png)
图4 316H型钢在蠕变裂纹扩展测试过程中所提出的宏观力学行为示意图：(a) 初始晶粒结构和择优晶界（红色）; (b) 双相氧化物的形成; (c) 磁铁矿中的裂纹萌生; (d) 裂纹向尖晶石内部扩展; (e) 裂纹向母材金属内部扩展; (f) 沿裂纹边缘形成新的双相氧化物
.png)
图5 316H钢在蠕变裂纹扩展测试过程中的微观行为示意图
致谢
衷心感谢EDF能源公司对布里斯托大学界面分析中心提供的资金支持，特别是对A. Warren和M. Zimina博士后研究员的资助。感谢Jacobs和帝国理工学院技术及研究团队成员的贡献，特别是Catrin Davies教授。本研究由“受压气体中结构材料的环境裂纹扩展”项目（ENCAMP）资助（英国创新署项目编号：103621）。T. L. Martin感谢EDF能源公司和英国皇家工程院对其“核电关联显微技术”高级研究员职位的资助。本文第一作者和通讯作者：Mariia Zimina（University of Bristol）。
本期小编 唐 瑞（整理）
罗凌颖 （校对）
刘昊东 （审核）
董乃健 （发布）
|