鉛鉍堆候選結(jié)構(gòu)材料的液態(tài)金屬脆化行為研究進(jìn)展綜述

1  引言

鉛冷快堆（LFR）作為第四代核反應(yīng)堆之一，因鉛鉍共晶合金（LBE）低熔點(diǎn)、高沸點(diǎn)及良好中子性能等優(yōu)勢而備受關(guān)注。但在高溫LBE環(huán)境中，結(jié)構(gòu)材料與液態(tài)金屬的相容性問題——特別是液態(tài)金屬脆化（LME）——會導(dǎo)致材料伸長率和疲勞壽命顯著下降，直接威脅反應(yīng)堆的安全性與可靠性。LME現(xiàn)象在350 ℃左右最為顯著，其敏感性受材料種類、溫度、應(yīng)變速率、LBE含氧量及冶金狀態(tài)等多種因素共同影響。

針對以上問題，北京科技大學(xué)的馬國寶和鋼鐵研究總院有限公司特殊鋼研究院的唐正焮、包漢生、何西扣等人在《特殊鋼》期刊（2025年第 46 卷，第 4 期）上發(fā)表了名為“鉛鉍堆候選結(jié)構(gòu)材料的液態(tài)金屬脆化行為研究進(jìn)展"的研究論文。該論文綜述了鐵素體/馬氏體（F/M）鋼、含Al鐵素體鋼、奧氏體鋼及含Al奧氏體鋼（AFA）在高溫液態(tài)LBE中的LME行為，歸納了各影響因素的作用規(guī)律與機(jī)理，并對未來研究方向進(jìn)行了展望。

2  F/M鋼的LME行為

T91系F/M鋼是目前鉛鉍堆研究最多的候選結(jié)構(gòu)材料。SSRT試驗(yàn)顯示，T91鋼在350 ℃ LBE中伸長率顯著下降，而抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度基本不變，表現(xiàn)出典型的LME特征。350 ℃被普遍認(rèn)為是LME最敏感的溫度窗口。

有趣的是，T91鋼的蠕變性能似乎不受LME直接影響。在450 ℃含氧LBE中，其蠕變斷裂壽命甚至高于空氣環(huán)境，這歸因于低溫下形成的保護(hù)性氧化膜。但在更高溫度（≥500 ℃）下，LBE顯著縮短蠕變斷裂時(shí)間，斷口雖未見解理或沿晶斷裂特征，但表面腐蝕損傷及裂紋萌生促進(jìn)作用不可忽視。

圖1  T91鋼在350 ℃ LBE和Ar中的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線（a），以及CLA16鋼在550 ℃不同環(huán)境下的二次蠕變速率（b）

3  含Al鐵素體鋼的LME行為

FeCrAl合金在LBE中的研究雖有限，但結(jié)果一致表明其LME敏感性較高。Gong等系統(tǒng)研究了FeCrAl合金在150~500 ℃貧氧LBE中的LME敏感性，發(fā)現(xiàn)伸長率隨溫度變化呈明顯的「塑性谷」，谷底位于350 ℃，與F/M鋼類似。更關(guān)鍵的是，FeCrAl合金的LME敏感性比T91鋼更強(qiáng)。

Al的合金化一方面降低了裂紋的位錯(cuò)遷移率，另一方面使表面氧化物更脆、更易開裂，從而促進(jìn)LBE與基體的潤濕。對比三種FeCrAl合金發(fā)現(xiàn)，Al含量較高的Fe10Cr6Al總伸長率損失最大，表明過量添加Al會加劇LME敏感性，應(yīng)予以控制。

圖2  350 ℃下Fe10Cr4Al（a）、Fe15Cr4Al（b）和Fe10Cr6Al（c）在氬氣、貧氧和富氧LBE中的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

4  奧氏體鋼及AFA鋼的LME行為

與F/M鋼形成鮮明對比，奧氏體鋼（如316L）在高溫液態(tài)LBE中表現(xiàn)出較低的LME敏感性。SSRT試驗(yàn)和低周疲勞試驗(yàn)均未觀察到LME導(dǎo)致的解理或沿晶斷裂特征。Stergar等的研究甚至表明，輻照與LBE共同作用也未誘發(fā)316L鋼的LME。

需要指出的是，雖然奧氏體鋼LME敏感性低，但其在500 ℃以上LBE環(huán)境中的蠕變性能會顯著下降，這并非LME所致，而是表面腐蝕驅(qū)動(dòng)的損傷過程。對于含Al奧氏體鋼（AFA），現(xiàn)有研究認(rèn)為其LME敏感性總體較低，但AFA8鋼在650 ℃時(shí)效后出現(xiàn)富W相沉淀，表現(xiàn)出一定的LME敏感性，說明AFA鋼的長期穩(wěn)定性仍需進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖3  不同環(huán)境下輻照與未輻照316L材料的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

5  LME的影響因素

5.1  溫度

溫度是影響LME的因素之一。F/M鋼在LBE中的SSRT和疲勞試驗(yàn)顯示，伸長率和疲勞壽命在200~500 ℃范圍內(nèi)出現(xiàn)「塑性谷」或「疲勞壽命谷」，谷底約350 ℃。這意味著LME在中間溫度最為嚴(yán)重，而在低溫和高溫下敏感性均明顯減弱。

關(guān)于「谷」的形成機(jī)制，學(xué)術(shù)界存在不同解釋。谷左側(cè)（低溫側(cè)）的形成與LBE潤濕性和動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效（DSA）有關(guān)：溫度升高改善潤濕性，促進(jìn)LBE沿低角度晶界（LAGBs）吸附和偏析；而350 ℃附近的DSA可能增強(qiáng)液態(tài)金屬敏感性。谷右側(cè)（高溫側(cè)）則與材料韌性恢復(fù)有關(guān)，高溫下韌性斷裂主導(dǎo)，LME效應(yīng)消失。另有觀點(diǎn)認(rèn)為高溫下LBE與金屬的脫附動(dòng)力學(xué)增加，抑制了其與裂紋的緊密接觸。

圖4  9Cr1Mo鋼在LBE及真空環(huán)境中疲勞壽命隨溫度的變化（a），T91鋼疲勞斷口形貌（b），以及150~450 ℃ LBE中疲勞裂紋的EBSD分析（c）

圖5  T91鋼在150~450 ℃ LBE中疲勞裂紋的納米尺度分析：STEM和TKD圖像（a），以及Pb-Bi原子在晶界處的不連續(xù)分布和有序Pb/Bi-Fe超結(jié)構(gòu)（b）

5.2  氧濃度

LBE中的溶解氧濃度對LME敏感性有顯著影響。飽和氧條件下T91鋼的斷裂能和疲勞壽命均高于貧氧條件，但兩者之差隨位移速率或應(yīng)變速率的增加而減小。飽和氧雖能改善LME敏感性，但似乎不改變LME隨溫度變化的基本趨勢——「疲勞壽命谷」依然存在。

從斷口形貌看，不同氧濃度下試樣均呈準(zhǔn)解理斷裂特征，但高氧濃度下存在多個(gè)裂紋萌生點(diǎn)，而低氧濃度下僅單個(gè)萌生點(diǎn)。Gong等據(jù)此提出了氧化膜在疲勞裂紋萌生階段的三種行為模型：低應(yīng)變范圍下氧化膜保持完整，基體免受LBE侵蝕；中等應(yīng)變范圍下氧化膜損傷后氧原子擴(kuò)散修復(fù)；高應(yīng)變范圍下氧化膜破裂，LBE滲入誘發(fā)LME。

圖6  LBE中溶解氧濃度與LME敏感性的關(guān)系：不同含氧LBE中T91鋼斷裂能隨位移速率的變化（a），飽和氧與低氧環(huán)境中應(yīng)變速率和疲勞壽命曲線（b），以及疲勞壽命隨溫度的變化（c）

圖7  T91鋼在高氧濃度（a）和低氧濃度（b）LBE環(huán)境下的疲勞斷口形貌，以及表面氧化作用誘發(fā)疲勞裂紋的三種機(jī)制示意圖（c）

5.3  應(yīng)變速率

應(yīng)變速率對LME的影響存在競爭機(jī)制。低應(yīng)變速率延長LBE與裂紋的潤濕時(shí)間，促進(jìn)LME；但同時(shí)增強(qiáng)氧化膜損傷修復(fù)能力。目前多數(shù)研究認(rèn)為，無論氧濃度高低，隨應(yīng)變速率降低LME敏感性總體增加。然而，Gong團(tuán)隊(duì)在低周疲勞實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，低應(yīng)變幅條件下高氧環(huán)境中低應(yīng)變速率反而提高疲勞壽命，這與Xue等在550 ℃飽和氧LBE中的觀察結(jié)果相矛盾。爭議的焦點(diǎn)在于氧化膜自修復(fù)與脆化進(jìn)程的競爭邊界條件，尚需進(jìn)一步研究。

5.4  預(yù)暴露

預(yù)暴露條件對LME的影響取決于氧濃度。貧氧LBE預(yù)暴露會溶解表面氧化層，使液態(tài)金屬直接潤濕基體，顯著增強(qiáng)LME敏感性。T91鋼在貧氧LBE中預(yù)暴露后疲勞壽命明顯降低，表面出現(xiàn)由LBE潤濕導(dǎo)致的空腔。相反，富氧預(yù)暴露會在表面形成保護(hù)性氧化膜，阻止LBE與基體直接接觸，Zhou等報(bào)道T91鋼在飽和氧LBE中預(yù)暴露后總伸長率反而升高。但預(yù)暴露氧化膜的保護(hù)作用是否持久，仍需更多系統(tǒng)研究。

圖8  T91 F/M鋼在600 ℃貧氧LBE預(yù)暴露613 h后的SEM圖像（a），470 ℃飽和氧LBE預(yù)暴露502 h后的SEM圖像（b），以及不同條件下預(yù)暴露后T91鋼的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線（c）

5.5  冶金狀態(tài)

熱處理工藝對F/M鋼LME敏感性有顯著影響。Long等發(fā)現(xiàn)，隨著回火溫度降低，T91鋼的「塑性谷」溫度范圍擴(kuò)大、深度加深，表明高硬度材料更容易發(fā)生LME。其機(jī)理可能與回火溫度降低導(dǎo)致強(qiáng)度增加，LBE潤濕的裂紋因原子鍵弱化效應(yīng)使斷裂應(yīng)力降低有關(guān)。但強(qiáng)度、硬度與LME敏感性之間的內(nèi)在機(jī)理仍缺乏直接證據(jù)，需要進(jìn)一步深入探究。

圖9  回火溫度與顯微硬度變化的關(guān)系（a），以及HT760（b）、HT600（c）和HT500（d）試樣在氬氣和LBE中總伸長率與測試溫度的關(guān)系

6  結(jié)論與展望

F/M鋼和含Al鐵素體鋼對LME較為敏感，其中含Al鐵素體鋼因Al的合金化作用敏感性更強(qiáng)，應(yīng)限制Al的過量添加。奧氏體鋼和AFA鋼LME敏感性較低，但500 ℃以上腐蝕與應(yīng)力耦合的失效形式仍需關(guān)注。LME受溫度、氧濃度、應(yīng)變速率和冶金狀態(tài)等因素影響，「塑性谷」現(xiàn)象的形成機(jī)制、氧化膜保護(hù)與LBE侵入的競爭邊界、以及冶金狀態(tài)對LME的微觀作用機(jī)理仍是當(dāng)前研究的核心難題。

未來研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注：F/M鋼和奧氏體鋼在≥500 ℃高溫下腐蝕與應(yīng)力耦合的失效機(jī)理；「塑性谷」與DSA、潤濕性和韌性恢復(fù)之間的內(nèi)在關(guān)系；氧化膜保護(hù)作用的溫度-氧濃度-應(yīng)變速率邊界條件；以及硬度、組織和析出相對LME敏感性的系統(tǒng)影響。