а

Выяснение механизма защитных слоев на термоядерных реакторах, устойчивых к отслаиванию

Токийский технологический институт

изображение: (а) изображение сканирующего просвечивающего электронного микроскопа; (b) Энергодисперсионное рентгеновское изображение (EDX) элементного картирования алюминия и кислорода; (в) Изображение элементного картирования титана, иттрия и циркония с помощью EDX-анализа.посмотреть больше

Фото: доцент Масатоси Кондо.

Термоядерные реакторы, быстрые реакторы-размножители и солнечные тепловые электростанции разрабатываются как электростанции с низким воздействием на окружающую среду и без ограничений по ресурсам. Поскольку эти электростанции работают при высоких температурах с большой теплоотдачей, ученые изучают возможность использования компонентов, использующих жидкий металл (обладает отличными показателями теплопередачи) в качестве теплоносителя. Жидкометаллический бланкет (металлическая стенка, установленная в активной зоне) и жидкометаллический дивертор (получающий тепло и отводящий выхлопные газы) являются одними из наиболее важных компонентов термоядерных реакторов и привлекли внимание как инновационные устройства преобразования энергии. Однако выбор конструкционных материалов, химически совместимых с высокотемпературными жидкими металлами, оказался непростой задачей.

Доцент Масатоси Кондо из Токийского технологического института взял жидкометаллические охлаждающие жидкости и провел исследование их стойкости к химической коррозии с ведущими конструкционными материалами. Он установил, что причиной коррозии является выщелачивание металлических компонентов из материалов, контактирующих с жидким металлом, и легирование жидкого металла и стальных материалов. В связи с этим он обнаружил, что коррозию можно значительно уменьшить за счет формирования компактного защитного оксидного слоя на поверхности конструкционных материалов жидкометаллических компонентов. Формирование стабильного защитного оксидного слоя, который препятствует такой коррозии, является ключом к тому, чтобы сделать компоненты на основе жидких металлов реальностью.

Совместная исследовательская группа под руководством доцента Кондо в сотрудничестве с Иокогамским национальным университетом и Национальным институтом термоядерной науки сосредоточила внимание на том факте, что сплавы FeCrAl, упрочненные оксидной дисперсией (ODS), образуют слой α-Al2O3 (альфа-оксид алюминия), состоящий из компактная структура, а также идентифицированы факторы, которые могут способствовать росту слоя, и механизм, благодаря которому слой сопротивляется отслаиванию от подложки.

Слой α-Al2O3 обеспечивает превосходную защиту в высокотемпературных средах с жидкими металлами. Сплав ODS Fe15Cr7Al ​​обладает превосходной жаропрочностью и является потенциальным конструкционным материалом для электростанций следующего поколения. Сплав можно окислить при 1000°С на воздухе в течение 10 часов с образованием слоя α-Al2O3. На рис. 1 показано микроскопическое изображение поперечного сечения слоя α-Al2O3, сформированного на сплаве ОДС Fe15Cr7Al, и распределение составляющих его элементов. Хотя его толщина составляет всего 1,28 микрометра, что составляет около 1/80 толщины человеческого волоса, он имеет чрезвычайно компактную структуру с равномерным распределением алюминия и кислорода, как показано на рисунке 1 (b). В то же время команда обнаружила, что в слое α-Al2O3 образуются оксиды активных элементов, таких как Ti, Y и Zr, как показано на рисунке 1(c). Это связано с тем, что химически активные элементы, которые сплав ODS Fe15Cr7Al ​​удерживает диспергированными в виде крошечных частиц оксида в его микроструктуре, мигрировали в слой, образуя оксиды. Сравнение микроструктуры и скорости роста оксидного слоя, образованного несколькими типами сплавов FeCrAl, показывает, что сплавы без химически активных элементов не образуют эти оксиды в слое, и рост их слоя происходит медленно. Эти удлиненные оксиды химически активных элементов действуют как «пути диффузии только кислорода», которые способствуют росту слоев и улучшают барьерные свойства (рис. 2).

Защитный слой должен быть устойчив к отслаиванию. В этом исследовании команда провела испытание на царапание слоя α-Al2O3, сформированного на сплаве ODS-FeCrAl, чтобы измерить величину силы, необходимой для царапания и отслаивания слоя острой иглой. Результаты показывают, что сплав ODS-FeCrAl обладает отличными адгезионными свойствами. Механизм, благодаря которому слой α-Al2O3 становится устойчивым к отслаиванию, кратко представлен на рисунке 2. Во-первых, оксиды активных элементов, образующиеся от подложки к слою, плотно захватывают микроструктуру слоя, как колышки, используемые для крепления палатки, и способствуют повышению прочности сцепления. Это называется эффектом привязки.