作者Gopinath Shit和S. Ningshen所属印度卡尔帕卡姆Indira Gandhi Centre for Atomic Research（IGCAR）的Corrosion Science and Technology Division，其研究成果发表于《Anti-Corrosion Methods and Materials》期刊（Volume 66, Issue 2, 2019, 页码149-158）。本研究关注改性AISI 304L不锈钢在高浓度硝酸中的耐腐蚀性能，旨在为核燃料后处理设施中使用的结构材料提供更高效的选材基础。
核燃料后处理广泛使用硝酸作为化学分离的主要介质，例如在“钚铀萃取（PUREX）”工艺中，该过程涉及不同浓度及高温硝酸环境，这会对设备用材料造成严重腐蚀。作为关键结构材料，低碳奥氏体不锈钢如AISI 304L由于其Cr2O3钝化膜提供的自愈合能力，在硝酸介质中的表现受到关注。然而，在高浓度硝酸（超过8 M HNO3）和高温（超过80°C）的条件下，该材料易发生晶间腐蚀（Intergranular Corrosion，简称IGC）以及穿晶腐蚀问题。因此，优化304L不锈钢的成分，研究硝酸作用下钝化膜行为至关重要。
本项研究旨在通过调整AISI 304L不锈钢的化学成分，以提高其在高浓度硝酸中的耐腐蚀性能。重点考察了Cr、Ni和Si含量的增加以及微量合金元素（例如S、P、B、C等）限制如何影响钝化膜的稳定性以及腐蚀速率。
本研究具体包括以下步骤：
实验使用改性AISI 304L不锈钢，其化学成分如表格所示（Cr 18.19%、Ni 9.2%、C 0.02%、Si 0.32%等）。试样尺寸为10×10 mm，表面经湿法打磨至1000目砂纸，并用钻石抛光膏抛光至1 μm。
参考ASTM A262 Practice-C（Huey Test），在6、9和11.5 M硝酸溶液中进行五个周期的48小时反复腐蚀试验，总计240小时。试验后测量样品失重来计算腐蚀速率。
使用Solarton 1287电化学系统进行以下电化学测试： - 开路电位（OCP）测试：分别在6、9和11.5 M硝酸中观察电极的稳定电位随时间的变化。 - 动态阳极极化实验：以10 mV/min的扫描速率进行，从腐蚀电位扫描至钝化区域的击穿电位。 - 电化学阻抗谱（EIS）分析：通过Nyquist和Bode图表征钝化膜的电学性质，包括化学阻抗和极化电阻（Rp）。
借助XPS对经不同硝酸浓度钝化及腐蚀后的钢材表面进行成分分析，分析Fe和Cr的氧化态及钝化层的化学组成。
使用扫描电子显微镜（SEM）和光学显微镜，观察多次腐蚀循环后表面的晶间腐蚀形貌和钝化膜损伤情况。
腐蚀速率在240小时的实验时间内保持在0.171-0.215 mm/yr范围内（约8 MPY），远低于核燃料后处理行业要求的最大腐蚀速率0.45 mm/yr（18 MPY）。表明改性304L不锈钢具备高硝酸环境下的优良耐腐蚀性能。SEM图显示，随着时间延长，晶界部位逐渐显现出明显的腐蚀病态。
OCP结果表明，在硝酸浓度从6 M增加至11.5 M的过程中，开路电势由0.73 V升至0.87 V（vs Ag/AgCl）。电势逐渐向钝化区域的更高值移动，这与钝化膜厚度增加有关，但在高浓度硝酸中由强氧化作用引起的电势上升可能导致钝化膜的穿晶失效风险。
极化曲线显示，6 M硝酸中钝化电流密度最低（~10^-8 A/cm^2），而9和11.5 M硝酸中有所提升。此外，在浓度升高过程中，击穿电势逐渐下降，表明钝化膜稳定性在浓酸条件下有所降低。
在Nyquist图中，低浓度硝酸中显示的半圆直径较大，表明极化电阻（Rp）较高，钝化膜更稳定。Rp的值从6 M硝酸时的102 kΩ·cm^2降低至11.5 M硝酸时的34 kΩ·cm^2。被动膜厚度也从6 M中的125 nm下降至11.5 M中的75 nm。
钝化膜主要由Fe和Cr的氧化物组成，例如Fe2O3、Fe(OH)3与Cr2O3。随着硝酸浓度增加，钝化层中的氧比降低，厚度减小，表明高浓度硝酸对于膜稳定性的侵蚀效应。
本研究表明，通过提高Cr、Ni和Si含量以及严格控制合金中的杂质元素（如S、P、C），AISI 304L不锈钢在高浓度硝酸环境中能显著改善耐腐蚀性能。其氧化和钝化行为显示在浓酸条件下仍具备较高的膜稳定性。研究结果为核燃料后处理设施选材，以及进一步优化抗腐蚀材料设计提供了重要参考价值。
该研究的亮点在于综合运用了传统浸泡实验、动态阳极极化与先进的XPS分析，得出对钝化膜性质及其影响机理的深入理解。这为硝酸介质中的材料腐蚀行为研究提供了崭新的数据支持，同时为核工业设备抗腐蚀材料开发贡献了新的视角。