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背景简介

熔盐储能系统在“风光火储”一体化电站和传统煤电灵活性改造中发挥着重要作用。然而，熔盐装备结构材料与熔盐的相容性问题成为制约熔盐储能系统安全可靠运行的关键。系统运行过程中，以奥氏体不锈钢为主要结构材料的熔盐装备不仅受到熔盐腐蚀，还会受到载荷的作用，两者交互作用下加速材料性能退化。另外，工业级熔盐中含有的氯杂质能显著加速材料的腐蚀。目前，针对结构材料与熔盐相容性问题的研究主要聚焦于材料的腐蚀行为，关于熔盐腐蚀-力交互作用下材料的损伤开裂行为研究报道较少。此外，同时考虑氯杂质和载荷的影响，实现奥氏体不锈钢在含氯杂质熔盐环境下的腐蚀开裂行为预测，对保障熔盐储能装备安全可靠运行具有重要的科学指导意义。基于此，本文分别开展了565℃下含不同浓度氯杂质太阳盐 (60wt% NaNO₃ + 40wt% KNO₃) 环境中的长时静态腐蚀试验和慢应变速率拉伸 (Slow strain rate tensile，SSRT) 试验，提出了虑及氯杂质浓度和塑性变形影响的熔盐腐蚀动力学模型，建立了熔盐腐蚀损伤开裂模型，预测了含氯杂质熔盐环境下304不锈钢的腐蚀开裂行为。

成果介绍

（1）研究了不同浓度氯杂质对304不锈钢腐蚀动力学的影响。在离子扩散和铬元素选择性溶解的腐蚀机制主导下，均匀腐蚀层呈现典型的分层结构；随着氯杂质浓度提升，材料腐蚀速率显著提升；尽管氯杂质浓度达到1.4wt%，304不锈钢的腐蚀动力学仍遵循抛物线型规律（图1）。

图1 长时静态腐蚀行为：（a）经过3000h腐蚀后304不锈钢的截面形貌及元素分布；（b）腐蚀层元素线分布；（c）腐蚀速率和腐蚀动力学曲线

（2）含氯杂质熔盐太阳盐中，与空气环境相比，304不锈钢的屈服强度和抗拉强度几乎不变，但断裂应变随着氯杂质浓度提高明显下降（图2a）；对比无应力条件下的腐蚀动力学，SSRT条件下材料的腐蚀速率更高，塑性变形显著加速了材料的腐蚀（图2b）；塑性变形引起的位错及位错亚结构作为短程扩散通道，加速了原子扩散；此外，由于叠加了应力辅助晶界氧化效应，材料出现了晶界腐蚀行为，腐蚀裂纹在晶界处萌生并发生沿晶扩展（图2c）。

图2 SSRT试验结果：（a）拉伸曲线；（b）腐蚀动力学曲线；（c）截面形貌

图3 氯杂质影响的腐蚀机理

（4）基于连续损伤力学和弹性/粘塑性本构模型，构建了纳入熔盐腐蚀损伤的腐蚀损伤开裂模型，实现了304不锈钢在含氯杂质熔盐环境中的均匀腐蚀、晶界腐蚀以及沿晶开裂行为的预测（图4、图5）。

图4 （a）腐蚀行为预测结果；（b）腐蚀动力学曲线预测结果

图5 腐蚀开裂行为预测结果

致谢

该研究工作得到了国家自然科学基金面上项目（No.52375149）、国家自然科学基金联合基金项目（No. U21B2077）、新加坡科技研究局结构金属合金项目 (No. A18B1b0061)资助。本文第一作者：李恒 (南京工业大学)，通讯作者：王小威 (南京工业大学)。

本期小编 李　恒（整理）

董乃健（校对）

程　航（审核）

董乃健（发布）