Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина (Екатеринбург, Россия)¹ ; Северо-Китайский университет водных ресурсов и электроэнергетики (Чжэнчжоу, Китай)²

Шайлун Ли, аспирант^1,2

Северо-Китайский университет водных ресурсов и электроэнергетики (Чжэнчжоу, Китай)
Вейшу Ванг, профессор Института энергетики и теплотехники, докт. техн. наук, доцент

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина (Екатеринбург, Россия)
О. А. Чикова, профессор кафедры физики ИнФО, докт. физ.-мат. наук, доцент, o.a.chikova@urfu.ru
Е. Ю. Раскатов, заведующий кафедрой металлургических и роторных машин, докт. техн. наук, доцент

Аустенитная сталь 15–15Ti и мартенситная сталь T91 рассматриваются в качестве перспективных конструкционных материалов для жидкометаллических теплообменников реакторов на быстрых нейтронах со свинцово-висмутовым теплоносителем эвтектического состава PbBiэ. Изучено коррозионное поведение образцов 15–15Ti и Т91 стали при воздействии жидкометаллического теплоносителя свинец-висмут эвтектического состава PbBiэ в статических условиях при температуре 500 °С и временах выдержки 200, 300 и 400 часов. Проведено металлографическое исследование микроструктуры поперечного сечения образцов, полученных после испытаний на коррозию с помощью оптического микроскопа Neophot-32. Коррозионное поведение изучено путем определения толщины и морфологии оксидного слоя и диффузионной зоны границы раздела сталь/PbBiэ. Установлено, что марка стали существенно влияет на механизм коррозионного разрушения. Интерфейс аустенитная сталь 15–15Ti/PbBiэ обнаружил признаки локальной межкристаллитной коррозии ввиду интенсивного смачивания и проникновения PbBiэ по границам зерен на значительную глубину; в PbBiэ наблюдалось формирование прерывистого слоя, содержащего фрагменты металла и оксидов, способствующее жидкометаллическому охрупчиванию стали. Интерфейс мартенситная сталь T91/PbBiэ продемонстрировал преобладание процессов растворения и взаимной диффузии легирующих элементов, сопровождающихся образованием более равномерного оксидно-диффузионного слоя на поверхности, который частично препятствовал дальнейшему проникновению расплава PbBiэ в сталь. Сравнение коррозионного поведения образцов стали 15–15Ti и Т91 при воздействии жидкометаллического теплоносителя PbBiэ позволяет заключить, что именно межкристаллитное проникновение расплава PbBiэ, а не только диффузионные процессы, является ключевым фактором, определяющим склонность материала к жидкометаллическому охрупчиванию и его пригодность как конструкционного материала для жидкометаллических теплообменников ядерных реакторов. Полученные результаты могут быть использованы при выборе оптимальных конструкционных материалов для теплообменников и уточнении требований к условиям эксплуатации контуров с свинцово-висмутовым теплоносителем эвтектического состава PbBiэ.

1. Martín-Muñoz F. J., Soler-Crespo L., Gómez-Briceño D. Corrosion behaviour of martensitic and austenitic steels in flowing lead–bismuth eutectic. Journal of Nuclear Materials. 2011. Vol. 416 (1–2). pp. 87–93. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2011.01.108
2. Serre I. P., Vogt J. B. Liquid metal embrittlement sensitivity of the T91 steel in lead, in bismuth and in lead–bismuth eutectic. Journal of Nuclear Materials. 2020. Vol. 531. 152021. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2020.152021
3. Serre I. P., Vogt J.-B., Nuns N. ToF-SIMS investigation of absorption of lead and bismuth in T91 steel deformed in liquid lead–bismuth eutectic. Applied Surface Science. 2019. Vol. 471. pp. 36–42. DOI: 10.1016/j.apsusc.2018.11.209
4. Gong X., Short M. P., Auger T. et al. Environmental degradation of structural materials in liquid lead- and lead–bismuth eutectic-cooled reactors. Progress in Materials Science. 2022. Vol. 126. 100920. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2022.100920
5. Yeliseyeva O., Tsisar V., Benamati G. Influence of temperature on the interaction mode of T91 and AISI 316L steels with Pb–Bi melt saturated by oxygen. Corrosion Science. 2008. Vol. 50. pp. 1672–1683. DOI: 10.1016/j.corsci.2008.02.006
6. Варсеев Е. В., Алексеев В. В., Орлова Е. А. Расчетное исследование процесса образования двухслойного оксидного покрытия на поверхности стали в свинцовом теплоносителе. Известия вузов. Физика. 2013.Т. 56 (4-2). С. 79–86.
7. Martinelli L., Balbaud-Célérier F., Terlain A., Delpech S., Santarini G. Oxidation mechanism of a Fe–9Cr–1Mo steel by liquid Pb–Bi eutectic alloy (Part I). Corrosion Science. 2008. Vol. 50 (9). pp. 2523–2536. DOI: 10.1016/j.corsci.2008.06.041
8. Martinelli L., Balbaud-Célérier F., Terlain A. et al. Oxidation mechanism of an Fe–9Cr–1Mo steel by liquid Pb–Bi eutectic alloy at 470 °C (Part II). Corrosion Science. 2008. Vol. 50 (9). pp. 2537–2548. DOI: 10.1016/j.corsci.2008.06.042
9. Martinelli L., Balbaud-Célérier F., Picard G., Santarini G. Oxidation mechanism of a Fe–9Cr–1Mo steel by liquid Pb–Bi eutectic alloy (Part III). Corrosion Science. 2008. Vol. 50 (9). pp. 2549–2559. DOI: 10.1016/j.corsci.2008.06.043
10. Субботин В. И., Ивановский М. Н., Арнольдов М. Н. Физико-химические основы применения жидкометаллических теплоносителей. – М. : Атомиздат, 1970. – 296 с.
11. Satou M. Evaluation of adhesive strength of oxide layer on carbon steel at elevated temperatures. MRS Online Proceedings Library. 2010. Vol. 1215 (1). 1622. DOI: 10.1557/PROC-1215-V16-22
12. Müller G., Heinzel A., Konys J. et al. Behavior of steels in flowing liquid Pb–Bi eutectic alloy at 420–600 °C after 4000–7200 h. Journal of Nuclear Materials. 2004. Vol. 335 (2). pp. 163–168. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2004.07.010
13. Soler L., Martín F. J., Hernández F., Gómez-Briceño D. Corrosion of stainless steels in lead–bismuth eutectic up to 600 °C. Journal of Nuclear Materials. 2004. Vol. 335 (2). pp. 174–179. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2004.07.012
14. Красин В. П., Крылова Е. В., Музычка А. Ю. Жидкометаллические теплоносители с точки зрения их совместимости с конструкционными материалами. Известия СПбГЭТУ ЛЭТИ. 2016. № 3. С. 77–82.
15. Roy M., Martinelli L., Ginestar K. et al. Dissolution and oxidation behaviour of various austenitic steels and Ni-rich alloys in lead–bismuth eutectic at 520 °C. Journal of Nuclear Materials. 2016. Vol. 468. pp. 153–163. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2015.11.005
16. Balbaud-Célérier F., Martinelli L. Modeling of Fe–Cr martensitic steels corrosion in liquid lead alloys. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2010. Vol. 132. 102912. DOI: 10.1115/1.4000865
17. Lambrinou K., Charalampopoulou E., Van der Donck T. et al. Dissolution corrosion of 316L austenitic stainless steels in contact with static liquid lead–bismuth eutectic (LBE) at 500 °C. Journal of Nuclear Materials. 2017. Vol. 490. pp. 9–27. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2017.04.004
18. Tsisar V., Stergar E., Gavrilov S. et al. Oxygen-driven de-alloying of Fe-14Cr-12Ni-10Mn-3Cu-2.5Al-1Nb austenitic steel at 500 °C in static Pb–Bi eutectic with alternating dissolved oxygen concentration from ~10–6 to 10–9 mass % for 10000 h. Corrosion Communications. 2025. Vol. 17. pp. 1–11. DOI: 10.1016/j.corcom.2024.01.002
19. Мартынов П. Н., Иванов К. Д., Лаврова О. В. и др. Влияние диффузионного выхода металлических компонентов сталей через оксидные покрытия на массоперенос в циркуляционных контурах с тяжелыми содержащими свинец теплоносителями. Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика. 2013. № 1. С. 15–19.
20. Ниязов С. А. С., Иванов К. Д., Лаврова О. В. Оценка интенсивности выхода металлических компонентов сталей при протекании процессов жидкометаллической коррозии. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Ядерно-реакторные константы. 2014. № 1. С. 79–85.
21. Лаврова О. В., Легких А. Ю. Влияние термодинамической активности кислорода на границе раздела «сталь – теплоноситель» на массоперенос железа и хрома. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Ядерно-реакторные константы. 2023. № 3. С. 221–232.
22. Варсеев Е. В., Алексеев В. В., Орлова Е. А. Расчетное исследование процесса образования двухслойного оксидного покрытия на поверхности стали в свинцовом теплоносителе. Известия вузов. Физика. 2013. Т. 56. № 4-2. С. 79–86.
23. Tian S., Zhang J., Wang Y., Ma Y., Wang W. Influence of high-density electropulsing treatment on the interface corrosion characteristics of 316L steel in lead–bismuth eutectic at 823 K. E3S Web of Conferences. 2019. 136 (1). 06022. DOI: 10.1051/e3sconf/201913606022