α-Al2O3保护层如锚桩固定在金属表面

阐明保护聚变反应堆的防剥落层的机制

东京,2023年8月25日— 聚变反应堆、快中子增殖反应堆和太阳能热发电厂正在开发具有低环境影响和无资源约束的发电厂。由于这些发电厂在高温下运行并具有大量的热传递,科学家正在研究使用液态金属(具有优异的热传递性能)作为冷却剂的组件。液态金属毯子(安装在反应堆核心中的金属壁)和液态金属散热器(接收热量并排放废气)是聚变反应堆最重要的组件之一,并因其创新能量转换装置而受到关注。然而,选择与高温液态金属化学兼容的结构材料一直是一个挑战。

东京工业大学副教授近藤正敏使用液态金属冷却剂,对其与领先结构材料的化学腐蚀抗性进行了研究。他发现腐蚀的原因是与液态金属接触的材料中金属组分的溶出以及液态金属和钢材料的合金化。在这方面,他发现通过在液态金属组件的结构材料表面形成致密的保护氧化层,可以显著减少腐蚀。形成稳定的保护氧化层以抑制这种腐蚀对实现基于液态金属的组件至关重要。

近藤副教授领导的联合研究小组与横滨国立大学和核聚变科学研究所合作,着眼于氧化物弥散强化(ODS) FeCrAl合金形成由致密结构组成的α-Al₂O₃(α-氧化铝)层这一事实,并确定了可以促进层生长和使层抗剥离基体的机制的因素。

α-Al₂O₃层在高温液态金属环境中提供卓越的保护。ODS Fe15Cr7Al合金具有优异的高温强度,是下一代发电厂的潜在结构材料。该合金可以在空气中1000°C氧化10小时形成α-Al₂O₃层。图1显示了在ODS Fe15Cr7Al合金上形成的α-Al₂O₃层的截面显微镜图像及其组成元素的分布。尽管它的厚度仅为1.28微米,约为人类头发直径的1/80,但它具有极其致密的结构,铝和氧的分布均匀,如图1(b)所示。同时,该团队发现Ti、Y和Zr等反应性元素的氧化物形成在α-Al₂O₃层中,如图1(c)所示。这是因为ODS Fe15Cr7Al合金微观结构中以细小氧化物颗粒分散的反应性元素已经迁移到层中形成氧化物。通过比较几种FeCrAl合金形成的氧化层的微观结构和生长速率显示,不含反应性元素的合金在层中不形成这些氧化物,其层生长缓慢。这些延长的反应性元素氧化物起“仅限氧扩散通道”的作用,促进层生长并改善屏障性能(图2)。

保护层必须具有抗剥落性。在这项研究中,该团队对ODS-FeCrAl合金上形成的α-Al₂O₃层进行了划痕试验,以测量用尖针划痕和剥离层所需的力的大小。结果表明,ODS-FeCrAl合金具有优异的附着性。图2总结了α-Al₂O₃层变得抗剥落的机制。首先,从基体向层形成的反应性元素氧化物牢牢抓住层的微观结构,就像用于固定帐篷的桩子一样,有助于改善附着强度。这称为桩固定效应。

α-Al₂O₃层与基体之间形成了不稳定的锯齿状界面,如图3(a)所示,随着层变厚,这种锯齿状界面的深度加深。此外,如图3(b)所示,锯齿状界面越深,剥离α-Al₂O₃层所需的剪切应力越大,即层的附着强度越高。在上述氧扩散通道模式下,层生长以适度不均匀的方式促进,导致界面的更深的锯齿状结构和更强的锚固效应。还有其他通过溶液形成氧化层和其他层的方法,但与这些方法相比,本研究中形成的层具有更强的附着力,并可抵御液态金属的流动,具有致密的结构。

致密、抗剥落的屏障技术的开发为延长液态金属毯子和散热器等液态金属组件的使用寿命提供了前景广阔的展望。液态金属技术在聚变反应堆等先进发电厂以及脱盐和环境净化技术中的实现,有望推动零碳社会的建立。

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