下一代CSP熔鹽泵液下軸承用316H不銹鋼氯鹽腐蝕機理研究取得重要進展

近日,中國科學院上海應用物理研究所高溫合金研發團隊在滲碳316H不銹鋼高溫氯鹽環境下的腐蝕機理研究取得重要進展,闡明了碳化物在高溫氯鹽環境下的腐蝕機理,解答了采用滲碳工藝硬化的不銹鋼作為熔鹽泵液下軸承材料的可行性。相關成果以“Corrosion behavior of carburized 316 stainless steel in molten chloride salts”為題,發表于International Solar Energy Society官方期刊《Solar Energy》,任森碩士研究生(上海理工大學聯合培養研究生,聯合培養導師戴志敏研究員)和陳燕軍助理研究員(熔鹽腐蝕組)為論文共同第一作者,葉祥熙研究員、梁建平研究員級高級工程師以及陳澤中副教授(上海理工大學)為論文共同通訊作者。 

與傳統的太陽能熱電站(CSP,運行溫度565℃)相比,下一代CSP采用氯鹽作為熱能儲存和傳導介質,其運行溫度可達到700℃以上,以達到更高的能量轉換效率。CSP采用的長軸熔鹽泵的液下軸承材料需要同時具有優異的耐高溫氯鹽腐蝕和耐摩擦磨損性能,長期以來一直是長軸熔鹽泵的瓶頸問題之一。316H不銹鋼作為下一代CSP重要的候選合金,具有良好的高溫力學性能和經濟性,但其硬度僅有180HV,耐摩擦磨損性能較差。滲碳作為提高合金耐磨性能的常見技術,主要是通過增加合金表面碳化物數量以提高合金表面硬度,從而提高合金耐磨性能。然而,碳化物是否會影響合金在熔鹽中的腐蝕行為還存在爭議。上世紀60年代美國橡樹嶺國家實驗室研究滲碳Hastelloy N合金和近期我們研究脫碳層的GH3535合金均發現表面碳化物數量對GH3535合金腐蝕程度影響很?。?/span>Acta Metall. Sin.-Engl., 32 (2019) 401–412)。然而,我們(Corros. Sci., 133 (2018) 349-357)和威斯康辛大學的工作(J. Fluorine Chem., 130 (2009) 67-73.)也均發現800H合金中的碳化物會加速合金在熔鹽中的腐蝕。為了驗證滲碳316H不銹鋼作為液下軸承材料的可行性,我們首先摸索了316H不銹鋼的滲碳工藝參數,通過高溫真空滲碳以及時效后處理獲得了表面硬度大于550HV316H不銹鋼,采用同步輻射XRD方法發現表面和近表面晶界碳化物主要是Cr7C3。然后采用含Mg的緩釋氯鹽(NaCl-KCl-MgCl2)對滲碳316H不銹鋼和未滲碳的316H不銹鋼在700℃高溫環境下進行腐蝕評估,結果發現滲碳316H不銹鋼發生了嚴重的晶間腐蝕(80μm),而未滲碳的不銹鋼幾乎沒有發生腐蝕(小于10μm),腐蝕后的滲碳316H的表面硬度也下降到了400HV。通過腐蝕截面形貌和成分表征發現主要原因是滲碳316HCr7C3碳化物極易受到熔融氯化物鹽中的雜質(結晶水、金屬離子)侵蝕。熔鹽中的雜質極易與合金表面的Cr發生反應,而表面和晶界處的Cr7C3碳化物的Cr含量是合金基體的Cr的兩倍以上,Cr7C3碳化物和合金表面基體之間存在很大的Cr的濃度梯度驅動力;同時Cr沿晶界擴散的速度比合金基體中的快。兩者共同作用導致表面和晶界處的Cr7C3碳化物中的Cr優先被氯鹽中的雜質腐蝕,從而發生嚴重的晶間腐蝕。Cr的消耗會引起Cr7C3碳化物的分解,從而降低滲碳316H的硬度。根據Cr的腐蝕擴散速率,估算出在含Mg緩釋氯鹽中316H和滲碳316H的年腐蝕率分別為47 μm328 μm,而CSP對于合金的年腐蝕速率通常要求是小于50μm。因此,滲碳316HCSP的高溫氯鹽環境下應用必須嚴格控制氯鹽中雜質的含量。 

本項研究得到了中國科學院戰略先導專項和中國科學院青年創新促進會等的資助支持。  

文章鏈接:https://doi.org/10.1016/j.solener.2021.05.057

1. 700 ℃高溫NaCl-KCl-MgCl2鹽中腐蝕后的316H (a)和滲碳316H (b)的截面圖

2. 滲碳316H不銹鋼的高溫氯鹽腐蝕機理示意圖