FeCrAl 合金因优异的高温抗氧化性、力学性能和辐照稳定性，成为耐事故核燃料（ATF）包壳的潜在替代材料，可用于压水堆（PWR）等严苛环境。其中， FeCrAl 合金耐腐蚀性Cr 含量与呈正相关，但过高 Cr 会在中子辐照下形成脆性析出相，降低力学性能，因此在降低 Cr 含量的同时保持耐腐蚀性是合金设计的关键挑战。
为此，上海交通大学沈朝团队研究了不同Cr含量FeCrAl 合金在模拟含氧压水堆一回路环境中的腐蚀氧化行为研究，揭示 “Cr 含量 - Fe 离子过饱和度 - 氧化层生长模式 - 耐腐蚀性” 的关联机制，打破传统认知，为理解液相加氢环境中合金氧化行为提供新视角。
研究表明，三种不同Cr含量的FeCrAl 合金（7wt% Cr、10wt% Cr、13wt% Cr）虽均形成 “外FeO层-内Fe (Cr,Al)O尖晶石层” 的双层结构，但研究团队借助布鲁克 OPTIMUS?同轴TKD技术进行纳米尺度的高分辨取向分析发现：三种样品的外氧化层晶体取向存在显著差异，其中，低铬合金（HG1-7Cr）同轴TKD 结果显示其外 FeO层为单一晶体取向（如图6g、7g所示），无明显晶界，形成类似 “准单晶” 的致密结构，而高铬合金（HG2-10Cr、HG3-13Cr）的同轴TKD结果却观察到外FeO层为随机取向的多晶结构（如图 6h、6i、7h、7i 所示），且随暴露时间延长，多晶晶粒显著粗化（部分长轴达 1μm），并伴随晶粒向外凸起的各向异性生长。同轴TKD结果直接解释了不同Cr含量FeCrAl合金宏观腐蚀行为的不同：单一取向的外氧化层无晶界扩散通道，防护性更强；而多晶结构的晶界易成为O离子快速传输路径，导致内氧化加剧。
另外，OPTIMUS?同轴TKD技术还清晰的表征出三种合金由纳米级等轴晶组成的尖晶石结构内氧化层，且无论暴露时间长短（75h 或 6000h），内氧化层晶粒均保持随机晶体取向。
参考原文
Zhang, K., Shen, Z., Li, J., Ma, S., Gao, S., Zhang, K., Wang, H., & Zeng, X. (2026). Anomalous oxidation behavior and enhanced corrosion resistance of a lean-Cr FeCrAl alloy in the oxygenated PWR primary water. Corrosion Science, 259, 113452.
https://doi.org/10.1016/j.corsci.2025.113452
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