本文档为一篇单项原创研究报告，主要研究者包括Shengxuan Sun、Lianmin Zhang、Aili Ma等，分别隶属于中国科学院金属研究所与山东科技大学材料科学与工程学院。研究发表在期刊Metals（2022年第12卷，第922篇文章），文章接受日期为2022年5月25日，发表日期为2022年5月27日。
本文研究基于核燃料后处理设备中涉及的材料腐蚀问题展开，属于核材料与腐蚀行为领域。现代核燃料闭式循环再处理技术中，燃料后处理涉及高温、高浓度硝酸的使用，这对设备材料的抗腐蚀性提出了高要求。奥氏体不锈钢因其优异的机械性能和较低成本，成为广泛使用的材料之一。然而，在强氧化性、高温环境中，奥氏体不锈钢往往遭受晶间腐蚀（Intergranular Corrosion, IGC），特别是在含氧化性离子如Pu4+、Ce4+的硝酸环境中。
近年来，一种含约4wt.%硅（Si）的特殊不锈钢，命名为Sin，因其在硝酸中的优异抗晶间腐蚀性能受到关注。本研究旨在： 1. 比较Sin不锈钢与传统304L不锈钢在三相硝酸腐蚀环境（液相、气相与冷凝相）中的耐腐蚀行为； 2. 揭示不同温度下两种不锈钢的腐蚀动力学特性； 3. 探讨Sin不锈钢在高温硝酸中的应用潜力。
1. 研究对象：
研究采用了两种材料，即Sin不锈钢和304L不锈钢。其化学成分如下： - Sin不锈钢：含约4%硅，极低碳含量（≤0.010%），以及17.74%铬和14.88%镍； - 304L不锈钢：低碳版本的304不锈钢，含0.064%硅以及18.33%铬和10.12%镍。
2. 实验设计： 研究设计了“液相腐蚀”、“气相腐蚀”、“冷凝相腐蚀”三种实验环境，所有试验均在自研的“硝酸三相腐蚀装置”上完成，包括加热系统、液相测试系统、气相测试系统及冷凝相测试系统。这种装置能够真实模拟硝酸环境中的三相作用。实验采用了挂片损失法（weight loss test），配合形貌观察与EDS（能量散射X射线谱）分析。
3. 腐蚀测定方法： - 采用失重法（weight-loss method）评估不同温度下两种钢材在各环境下的耐腐蚀性能； - 使用SEM扫描电子显微镜和EDS分析腐蚀产物以及腐蚀表面成分。
4. 数据处理与拟合： 腐蚀速率数据采用三次函数和二次函数进行拟合，探索腐蚀速率与温度之间的数学关系，区分高效区与低效区。
1. 液相腐蚀行为： - 在液相含氧化性离子的腐蚀环境中，随着温度升高，Sin与304L不锈钢的腐蚀速率均呈上升趋势，且在高温（100°C与120°C）时尤为明显。 - Sin不锈钢展现了更低的腐蚀速率，其在120°C时仅为0.44mm/年，相较之下304L不锈钢约为1.34mm/年，后者还检测到严重晶间腐蚀。 - 腐蚀速率与温度呈立方函数关系，表明其在高温段对温度更加敏感。 - 通过EDS分析，Sin试样氧化层主要由Cr、Fe、Ni的氧化物组成，其硅的均匀分布可能抑制了晶间腐蚀。
2. 气相腐蚀行为： - 气相中两种不锈钢的腐蚀速率随着温度升高呈二次函数趋势。然而，不同于液相，Sin不锈钢的腐蚀速率较304L更高。在120°C下，Sin的腐蚀速率为0.126mm/年，304L仅为0.054mm/年。 - 气相中因无氧化性离子，腐蚀以均匀腐蚀为主，晶间腐蚀未见显著表现。 - 腐蚀机制可能与合金成分有关，Sin中4%硅的加入提高了其均匀腐蚀速率。
3. 冷凝相腐蚀行为： - 冷凝相腐蚀速率呈温度上升趋势，但幅度小于液相。 - Sin在高温（120°C）冷凝相中腐蚀速率约为0.078mm/年，显著高于304L的0.035mm/年。 - 腐蚀形貌显示，两种不锈钢仅发生均匀腐蚀，并未发现晶间腐蚀特征，且腐蚀程度随温度升高有所增强。
本研究首次系统性地揭示了Sin与304L不锈钢在三相（液相、气相、冷凝相）硝酸环境下的腐蚀行为与温度相关的腐蚀动力学规律： 1. Sin不锈钢在液相含氧化性离子的硝酸中表现出更加优异的耐腐蚀性和抗晶间腐蚀能力，适合于核燃料后处理液相环境。 2. 在无氧化性离子的气相和冷凝相中，304L不锈钢整体展现了更好的耐腐蚀性，更适用于硝酸气相与冷凝相条件。 3. Sin不锈钢腐蚀性能受其硫化物和硅含量等微观组织影响，而其耐晶间腐蚀性能得益于高稳定性硅酸盐钝化膜的形成。
研究对航空核工业、后处理设备材料选取提供了重要理论基础，同时为开发新型抗硝酸腐蚀材料提供了实验数据支持。