초임계 CO2에서 AFA 스테인리스 강의 SCC에서 Al/Nb의 역할

npj Materials Degradation 6권, 기사 번호: 56(2022) 이 기사 인용

622 액세스

2 인용

측정항목 세부정보

SSRT를 통해 초임계 CO2에서 Al과 Nb 함량이 서로 다른 일련의 AFA 스테인리스강 SCC를 연구했습니다. 결과는 Nb 원소가 기계적 성질에 석출 강화를 가져오는 반면 부식 성질에는 거의 영향을 미치지 않음을 보여줍니다. Al-free 재료의 표면 산화막은 비정질 Cr2O3와 Cr-rich 스피넬로만 구성되었습니다. Al을 첨가하면 Al2O3 층이 형성되고 원소 확산이 크게 감소하여 SCC의 시작이 억제됩니다. Fe3O4는 Al이 함유되지 않은 재료와 Al이 함유된 재료의 균열 내부를 채웁니다. Al2O3 층은 Al 함유 물질의 균열 팁에 형성됩니다. 매트릭스 입자가 크기 때문에 보호 Al2O3 층은 균열 선단에만 형성될 수 있으며, 이는 균열 벽에서 이온의 외부 확산을 완전히 방해할 수 없으며 균열 전파에 대한 보호 효과가 제한됩니다.

높은 압축성, 우수한 압축성 및 높은 열 전달 효율1,2이라는 장점을 지닌 초임계 이산화탄소(sCO2)는 원자로와 같은 다양한 에너지 시스템의 잠재적인 유체로 간주되어 왔습니다. sCO2 냉각 원자로는 가장 유망한 4세대 원자로 중 하나가 되었습니다3,4,5,6,7. 그러나 운영 환경에서 재료의 결함은 점차적으로 sCO2 시스템의 개발을 제한하는 주요 문제 중 하나가 되었습니다8.

현재 sCO2 냉각식 원자로에 사용될 수 있는 기존의 구조 및 피복재로는 주로 페라이트/마르텐사이트(F/M)강9, 오스테나이트 스테인리스강10,11, 니켈 기반 합금12이 있습니다. 그 중 Ni 기반 합금은 방사성 잔류물이 높으나 대규모로 적용하기에는 경제적 비용이 너무 높습니다. F/M 강철의 고온 내식성은 좋지 않습니다14. T22 강철의 산화막 두께는 550°C sCO29에서 200시간 노출 후 32μm를 초과했습니다. 저온 환경(예: 아임계수)에 노출된 오스테나이트계 스테인리스강과 F/M강의 경우 표면에 Cr2O3 및 Cr 함유 산화물 층이 형성되어 가장 중요한 보호 역할을 합니다15. 그러나 고온 sCO2에서 이러한 Cr 산화물 필름의 안정성은 여전히 ​​불충분합니다10,16,17,18. 500시간 동안만 sCO2에 노출된 310 및 316 스테인레스강의 표면에서 산화막의 넓은 면적의 파쇄와 많은 다공성이 관찰되었으며, 이는 sCO2 냉각 원자로, 특히 피복 재료의 적용 요구 사항을 충족할 수 없습니다.

이러한 문제를 해결하기 위해서는 sCO2에서 높은 내산화성을 가질 뿐만 아니라 가공이 용이하고 가격이 저렴하다는 장점을 유지하는 소재가 필요하다. 따라서 초기에 크리프 저항성을 향상시키기 위해 개발된 알루미나 형성 오스테나이트(AFA) 스테인리스강19,20,21,22,23,24이 점점 더 많은 주목을 받고 있습니다. 이전 연구에서는 800°C 공기25와 초임계수26에서 AFA 강의 질량 증가가 연속적인 Al2O3 층이 형성되었기 때문에 매우 낮다는 것을 보여주었습니다. 알루미나(Al2O3)는 Cr2O3와 동일한 커런덤 형태의 격자를 갖고 있는 반면, Al2O3의 열역학적 안정성은 더 높으며22 고온 및 부식 환경에 노출되는 재료27,28,29에 더 나은 보호 기능을 제공할 것으로 예상됩니다. Pint et al.30은 여러 상업용 Fe 및 Ni 기반 구조 합금의 CO2 압력 호환성을 비교하고 Al 함유 재료의 질량 증가가 가장 낮다는 것을 발견했습니다. sCO2 내 AFA-OC6의 산화막은 저온 또는 짧은 노출 시간 후에 주로 얇고 연속적인 Al2O3와 (Cr, Mn)3O4로 구성되었으며, 온도와 노출 시간이 증가함에 따라 산화막은 복잡한 다층 구조를 나타냈습니다31. 더욱이, Al을 첨가하면 재료에 Ni-Al 상20,21,22,23,24,32,33이 형성되어 재료의 크리프 강도가 증가하여 향후 AFA 강철의 고내열성 응용 가능성이 향상됩니다. 온도 sCO2 환경. 강의 일반적인 내식성은 Al 첨가가 증가함에 따라 납-비스무스 공융에서도 향상되었으며, 산소 농도가 낮을 ​​때만 연속적인 Al-rich 산화막이 형성되었습니다.