核聚变能源因其高效与清洁的特性，被视为未来能源发展的重要方向。在可控核聚变装置的冷却系统设计中，水冷系统凭借其技术成熟度高、冷却性能优异以及成本相对较低等优势，成为当前最具实际可行性的方案之一。然而，该系统的应用面临一个关键挑战：在高温高压工况下，水及水蒸气对结构材料具有强腐蚀性。虽然这一问题在裂变反应堆中已得到较为深入的研究并积累了丰富的应对经验，但聚变环境更为复杂。特别是聚变装置特有的高强度、空间分布不均的磁场环境，其与腐蚀行为之间的耦合效应构成了新的技术难题，亟待深入研究。

针对上述问题，中国科学技术大学核科学与技术学院彭蕾副教授团队借助国仪量子扫描电镜与双束电镜进行了深入研究，通过搭建高温磁场水蒸气腐蚀设备和高温水腐蚀设备，利用SEM、EBSD和FIB等技术表征分析在400℃，0T，0.28T和0.46T三个磁场强度下由水蒸气腐蚀CLF-1钢 0-300h后的氧化膜和在300℃高温水腐蚀1000h的氧化膜的表面和横截面结构。

研究中使用了国仪量子的SEM5000X超高分辨场发射电镜与DB500双束电镜

研究发现氧化膜均呈多层结构，可分为富Cr内层和富Fe外层。氧化膜的形成可分为5个阶段：从初始氧化颗粒到絮状物，然后絮状物不断生成形成致密层，再在致密层上生长出尖晶石，最后尖晶石破裂转变为层片装氧化物。磁场的存在显著加速了腐蚀速率，促进了外层磁铁矿（Fe3O4）向赤铁矿（Fe2O3）的转变以及层片状氧化物结构的形成。该研究以题为“Magnetic field effects on the high-temperature steam corrosion behavior of reduced activation ferritic/martensitic steel”的论文发表在《corrosion science》上。

表面氧化膜表征

在高温蒸汽（HTS）环境中，CLF-1 钢表面在不同时间尺度下表现出不同的的腐蚀状态。对于抛光表面，初期（60 h）氧化物以分散的细小颗粒形式存在，Fe/Cr 原子比与基体接近，表明尚未形成完整氧化层。到 120 h 时，表面出现大量絮状氧化物，其化学组成与初期颗粒相似；200 h 后形成了致密的氧化层，且在其上可见新的氧化物颗粒与局部尖晶石结构。而粗糙表面在相同时长下表现出更快的氧化演化：早期即形成更细致、分布更均匀的絮状氧化物，200 h 时腐蚀产物已转变为尖晶石结构，显示出比抛光表面更显著的结构差异。在高温高压水（HTPW）的抛光表面形貌上观察到与HTS类似的尖晶石结构，如图 1（f）和图 1（h）所示，HTPW 中尖晶石的稠度和数量更大，而 HTS 中尖晶石的规模更大。

当引入磁场（抛光表面 0.28 T、粗糙表面 0.46 T）时，腐蚀行为进一步发生变化，如图 2所示。60 h 时，两种表面均出现氧化颗粒，但粗糙表面上颗粒数量更多。至 120 h，抛光面形成颗粒状氧化物，而粗糙面已发展为细致的絮状氧化膜；200 h 时，粗糙面出现结构边缘断裂的尖晶石及其周围垂直于表面的层状结构，伴随大量孔隙形成。240 h 后，这些层状结构更加丰富，形成更致密且方向一致的氧化层。EDS 结果显示，在磁场下 Fe/Cr 含量随时间下降，O 含量增加，且 Cr 含量在 120 h 时已明显减少，远早于非磁场条件下的 200 h。说明磁场促进了外层富铁层的快速形成。

图1 在 HTS 和 HTPW 中，CLF-1 试样表面的 SEM 图像和 EDS 点扫描标记为#1∼#20

图2 暴露于磁场的 CLF-1 试样表面的#1 至#16 标记的 SEM 图像和 EDS 点扫描：抛光表面（0.28 T）;粗糙表面 （0.46 T）。

氧化膜物相分析

图 3 和图 4 展示了 CLF-1 钢在高温蒸汽（HTS）、高温高压水（HTPW）环境以及磁场作用下的氧化膜拉曼光谱特征。在无磁场条件下，HTS 和 HTPW 中形成的氧化膜均以 Fe₃O₄（磁铁矿）和 FeCr₂O₄ 组成的尖晶石结构为主，表现出相似的形貌和拉曼特征峰（302、534、663 和 685 cm⁻¹），但由于两者拉曼峰重叠，难以区分。Fe₂O₃（赤铁矿）仅在 HTS 下暴露 240 h 的粗糙面中被识别。在磁场作用下（图 4），氧化过程显著加快。抛光表面在 240 h 时才出现少量 Fe₂O₃，且其峰强较低；而粗糙粗糙面在 120 h 就已出现 Fe₂O₃，240 h 时其信号增强，Fe₃O₄ 和 FeCr₂O₄ 的信号则减弱。这表明磁场加快了 Fe₂O₃ 的生成。

图3 HTS 和 HTPW 中 CLF-1 上氧化膜的拉曼光谱：（a）抛光;（b）粗糙。

图 4 磁场下HTS中 CLF-1 上氧化膜的拉曼光谱：（a）抛光 （0.28 T）;（b） 粗糙（0.46 T）。

氧化膜横截面表征

为研究粗糙面氧化膜的相组成与分布，对 HTS 腐蚀 300 h 的横截面样品进行了 EBSD 分析（图 5a、b）。结果显示氧化膜由三层结构组成：最外层是不连续且较薄的 Fe₂O₃，其下为致密的 Fe₃O₄ 层。在 Fe₃O₄ 与金属基体之间还存在一层黑色区域，无法获得清晰的菊池图案，因此通过 FIB 制备截面薄膜（图 5c、d）以进一步分析该层结构。TEM 和 SAED 结果显示，中间的富铬层为 FeCr₂O₄ 结构，富铁层为 Fe₃O₄ 结构。两层之间界面处存在明显空隙，表明在氧化演化过程中形成了相间分离和孔洞结构。

图 5 HTS 中 300 h 粗糙表面上横截面氧化膜的微观结构和相分布：（a）EBSD 带对比图;（b）EBSD 相图;（c）FIB 制备的横截面薄膜;（d）暗场 TEM 显微照片和 SAED。

图 6 展示了磁场（HTS，240 h）条件下粗糙面氧化膜的横截面微观结构。EBSD 测量结果（图 6a、b）表明，外层氧化物主要由 Fe₃O₄ 和 Fe₂O₃ 组成，Fe₃O₄ 呈层状垂直排列，其中夹杂大量孔洞与晶间间隙，Fe₂O₃ 分布于表层及间隙中。在基体与外层之间仍存在一层富铬黑层，仅部分区域获得清晰晶粒信息。FIB 制备薄膜（图 6c）后进行 TEM 观察（图 6d），发现富铬层呈多孔结构，空隙较多。与非磁场组相比，氧化膜的整体结构更为疏松，尤其在层间界面与富铁层内部，孔洞更明显，表明磁场加剧了腐蚀，降低了氧化膜的致密性。SAED 分析结果确认，氧化膜从内至外依然由 FeCr₂O₄ 与 Fe₃O₄ 构成，说明磁场主要影响结构致密度和空隙演化而非相组成本身。

图 6在磁场 HTS 中粗糙表面的横截面氧化膜的微观结构和相位分布：（a）EBSD 波段对比图;（b）EBSD 相图;（c）FIB 制备的横截面薄膜;（d）暗场 TEM 显微照片和 SAED。

这项工作研究了在400 °C HST环境下腐蚀300 h 后有无磁场对CLF-1钢腐蚀行为的影响，并对比了CLF-1钢在HTPW与HTS环境下腐蚀后的氧化膜差异与，为聚变结构材料的抗腐蚀性能的优化提供了参考数据。

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