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研究作者与机构
本研究的主要作者为 Prafful Kumar Sinha 和 Vivekanand Kain，隶属于印度的 Bhabha Atomic Research Centre (BARC) 和 Homi Bhabha National Institute。本文发表于《Journal of Materials Engineering and Performance》，文章提交于2020年6月6日，修改于2020年10月14日，接受于2020年10月18日，并于2020年11月13日在线发布。
研究背景
本研究聚焦于核能领域中含高浓度硝酸（能促进腐蚀的苛刻环境）的腐蚀现象及材料评价。中国等诸多国家的核燃料闭式循环中，普遍使用纯化铀钚萃取工艺（PUREX），并在此过程中涉及多种操作变量，包括高浓度硝酸、温度及氧化性离子，迫切需要抗腐蚀性更优异的材料。目前的奥氏体不锈钢（如SS 304L）在硝酸环境中的被动膜效应虽提供了一定保护，但在较高电位下易发生晶间腐蚀（IGC，Intergranular Corrosion），最终会导致材料失效。已有研究表明钛基合金和锆基合金在硝酸中的抗腐蚀性更强，尤其是钛铝锆（Ti-Al-Zr）合金具有显著潜力，但缺乏高温条件和氧化离子作用下的研究。
本研究的目标为评价Ti-Al-Zr合金的腐蚀性能，明确其在高温、高电位和强氧化性条件下的适应性，并将其与SS 304L进行对比，以验证其在核燃料后端处理中作为替代材料的可行性。
研究方法与流程
研究以电子化学极化技术展开，通过开放电路电位（OCP）、动电位极化（Potentiodynamic Polarization）和定电位实验（Potentiostatic Test），综合考察Ti-Al-Zr合金与SS 304L的腐蚀行为。
材料准备
- 制备了真空电弧熔炼的Ti-Al-Zr合金，并经过热轧、酸洗及真空退火处理；SS 304L由金属板材切割。
- 样品尺寸为20 mm × 20 mm × 3 mm，经机械抛光至600目，并通过超声波清洗。对两种材料的化学成分进行了分析：Ti-Al-Zr中Ti为主要成分，Al为2.18 wt.%，Zr为2.43 wt.%；SS 304L中Cr为18.11 wt.%，Ni为9.11 wt.%。
实验设计
- 变量设置：涉及硝酸浓度（1 M、3 M、6 M）、温度（25 °C与75 °C）和氧化离子（Ce⁴⁺和V⁵⁺）三个实验变量。
- 电化学测试：采用三电极系统，包括试样（工作电极）、铂（对电极）和Ag/AgCl参比电极。
- 极化测试：动电位极化测试电位从开路电位的250 mV下方扩展至3000 mV，模拟高电位条件；Ce⁴⁺和V⁵⁺用以仿真钚铀裂变产品。
微观组织分析
- 通过光学显微镜观察样品的横截面，研究晶间腐蚀状况、被动膜形态及腐蚀后的结构变化；样品采用标准蚀刻法进行制备。
主要研究结果
Ti-Al-Zr合金的抗腐蚀性能
- Ti-Al-Zr合金测试中展现显著的被动状态，其在75°C下，电位高达4000 mV时仍未破坏被动膜，仅表现出均匀腐蚀（Uniform Corrosion）。
- 在最苛刻的实验条件（6 M硝酸，75 °C，V⁵⁺离子，E=1500 mV）下，Ti-Al-Zr合金的腐蚀电流密度仅为3.5 μA/cm²，说明该材料具备高度稳定的被动膜TiO₂。
SS 304L的腐蚀行为对比
- SS 304L在较低电位（~900 mV）中已发生晶间腐蚀，其腐蚀速率明显快于Ti-Al-Zr合金。在3 M硝酸中，电位为2000 mV时，SS 304L的腐蚀电流密度为100 mA/cm²，而Ti-Al-Zr合金仅为0.01 mA/cm²，相差高达10,000倍。
- 显微结果表明，SS 304L在高电位作用下，其表面晶间区域受到更快腐蚀，表现为“晶粒脱落（Grain Dropping）”，而Ti-Al-Zr仅表现出均匀溶解。
高氧化电位下的行为
- Ti-Al-Zr合金在2200–3300 mV电位范围展现“伪穿透钝化（Pseudo-Trans-Passivity）”。此阶段，无明显材料劣化，仅伴随被动膜TiO₂的轻微转变为TiOOH。
- 在极高电位（4000 mV）时，Ti-Al-Zr合金的测量电流密度依然维持低值（~35 μA/cm²），证明其氧化膜仍具保护性。
微观组织稳定性
- SS 304L的Cr₂O₃被动膜在硝酸中因高电位溶解，导致晶间腐蚀发生成分“析出”，而Ti-Al-Zr的TiO₂膜在高电位下未发生显著变化，材料腐蚀行为更趋均匀。
研究结论与意义
Ti-Al-Zr合金在苛刻硝酸环境下表现出优异的抗腐蚀性能，其较低的腐蚀速率及稳定的被动膜表明了该材料可作为SS 304L的高级替代品，尤其适用于核燃料后处理等极端条件下的使用。研究的发现为钛基材料的实际应用提供了科学支持，也有助于解决长期困扰再处理工业的腐蚀问题。
研究亮点
- 第一次系统探讨了Ti-Al-Zr合金在氧化离子（如Ce⁴⁺和V⁵⁺）和高温条件下的抗腐蚀行为。
- 采用电化学极化技术，结合微观分析，高精度地揭示了两种材料的腐蚀特性及机制差异。
- 提出“伪穿透钝化”概念，丰富了钛基合金的腐蚀学理论。
这项研究为材料选择提供了重要方向，特别是对于核燃料后处理和废物管理领域中对高耐腐蚀性材料的需求。