馬星星,陳業(yè)新,張華偉

(上海大學(xué)材料研究所,上海 200072)

2011年日本發(fā)生的福島核電站爆炸事故對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞,提高了人們對(duì)核電站安全性及其對(duì)環(huán)境影響的關(guān)注度.已有研究發(fā)現(xiàn):核電站中輕水反應(yīng)堆(light water reactor)的燃料包殼材料——鋯合金,在核反應(yīng)堆發(fā)生失水事故(lost of coolant accident)時(shí)與高溫水蒸氣發(fā)生反應(yīng),生成的氫氣和大量的熱量是導(dǎo)致福島核電站發(fā)生爆炸的原因[1-2].為此,材料研究者已將能在高溫下抗氧化的FeCrAl基合金作為第四代核電站潛在的燃料包殼材料,相關(guān)研究已取得了一定的進(jìn)展[3].Lim等[4]認(rèn)為只有在FeCrAl合金中添加微量合金元素,才能使合金滿足先進(jìn)核反應(yīng)堆中結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能需求.杜沛南等[5]的研究發(fā)現(xiàn),在FeCrAl合金中添加Nb元素可使合金的晶粒得到細(xì)化,同時(shí)在合金中形成析出相,而合金晶粒的細(xì)化及彌散分布的第二相則提高了FeCrAl合金的力學(xué)性能.Yamamoto等[6]的研究結(jié)果表明,添加Mo元素能夠固溶強(qiáng)化FeCrAl基合金的基體,從而提高材料在室溫～750°C范圍內(nèi)的抗拉強(qiáng)度.

核反應(yīng)堆中的燃料包殼管在實(shí)際服役過(guò)程中會(huì)受到輕水堆內(nèi)部燃料反應(yīng)時(shí)所產(chǎn)生的氚原子的作用.已知氚是氫的同位素,而金屬材料中的氫原子可能使金屬發(fā)生氫蝕、氫脆和氫鼓泡等氫損傷,嚴(yán)重影響材料的力學(xué)性能和使用壽命.當(dāng)將FeCrAl合金作為燃料包殼材料在核反應(yīng)堆中使用時(shí),合金必然在含氫工作環(huán)境中服役,從而存在因氫原子作用而導(dǎo)致合金力學(xué)性能降低的可能性.已知?dú)湓蛹捌渫凰卦隗w心立方結(jié)構(gòu)的FeCrAl基合金中的滲透率比氫原子在密排六方結(jié)構(gòu)的鋯合金中的滲透率高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)[3],所以降低氫原子及其同位素在FeCrAl基合金中的滲透率是該材料應(yīng)用于核電站前必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一.因此,有必要對(duì)氫原子在FeCrAl基合金中的擴(kuò)散行為進(jìn)行系統(tǒng)研究,認(rèn)識(shí)其規(guī)律性,為FeCrAl基合金在核電站中的使用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù).已知合金中各類缺陷對(duì)氫原子的擴(kuò)散行為均具有明顯的抑制作用[7-8],所以通過(guò)合金化來(lái)提高FeCrAl基合金力學(xué)性能[9]的同時(shí),必然導(dǎo)致合金中缺陷數(shù)量和分布的改變,由此將引起氫原子在合金中擴(kuò)散行為的變化.本課題組的前期研究表明,當(dāng)在低Cr的FeCrAl基合金中添加2%Mo和0.5%Nb(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)元素后,合金具有穩(wěn)定的微觀組織和優(yōu)良的綜合力學(xué)性能.為此,本工作以Fe-13Cr-6Al-2Mo合金為研究對(duì)象,并在其中添加0.5 %Nb元素,研究氫原子在Fe-13Cr-6Al-2Mo和Fe-13Cr-6Al-2Mo-0.5Nb合金中的擴(kuò)散行為差異,分析Nb元素對(duì)氫原子在Fe-13Cr-6Al-2Mo合金中擴(kuò)散行為的作用,為優(yōu)化核電站中使用的FeCrAl基合金提供實(shí)驗(yàn)依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

實(shí)驗(yàn)所用材料為FeCrAlMo及FeCrAlMoNb合金,將純度高于99.9%的Fe、Cr、Al、Mo、Nb元素在高頻真空感應(yīng)爐中熔煉成尺寸為200 mm×50 mm×15 mm的板材.用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀測(cè)定熔煉所得合金板材的化學(xué)成分,結(jié)果如表1所示.

表1 兩種合金實(shí)際成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Actual composition of two alloys(mass fraction) %

在1 000°C下,將合金板材的厚度從15 mm熱軋至3.5 mm.經(jīng)1 000°C退火18 min后,再將熱軋板材冷軋至厚度為1.2 mm的薄板,最后將冷軋薄板在1 000°C下退火5 min.用電火花切割機(jī)將退火薄板切割成尺寸為20 mm×20 mm×0.8 mm的氫滲透試樣.將試樣分別在400#、600#、800#和1 000#的金相砂紙上進(jìn)行打磨,直至表面光亮且無(wú)明顯缺陷,再依次用丙酮除油、無(wú)水乙醇清洗、冷風(fēng)吹干備用.

電化學(xué)氫滲透實(shí)驗(yàn)采用雙電解池充氫法[10],電解液為0.2 mol/L NaOH+2 mL/L Na2S的混合溶液[11],氫滲透試樣的有效充氫面積為0.785 cm2.氫滲透實(shí)驗(yàn)充氫端采用恒電流充氫,充氫電流密度為6 mA/cm2,釋氫端施加300 mV恒電位(相對(duì)于Hg/HgO參比電極).為加快氫原子進(jìn)入試樣并防止試樣陽(yáng)極面在電解液中發(fā)生電化學(xué)腐蝕,在氫滲透試樣表面電鍍一層鎳薄層[12].本實(shí)驗(yàn)所用鍍鎳液的成分如表2所示,電鍍時(shí)采用的電流密度為10 mA/cm2,溫度為35°C,時(shí)間為1 min.

表2 電鍍液成分及含量Table 2 Composition and content of electroplating solution mg·cm－3

氫滲透實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下:將試樣安裝在含有電解液的雙電解池中,加熱電解液至80°C,并保溫5 h,以排出電解液中的氧氣和雜質(zhì)原子;然后使電解液溫度降至指定的氫滲透溫度并保溫,在陽(yáng)極端(釋氫端)施加300 mV恒電位(相對(duì)于Hg/HgO參比電極),同時(shí)測(cè)量陽(yáng)極電流隨保溫時(shí)間的變化.當(dāng)陽(yáng)極電流(即背景電流)i＜0.5μA時(shí),在陰極端(充氫端)施加充氫電流,開(kāi)始試樣的氫滲透實(shí)驗(yàn),與此同時(shí)測(cè)量在指定溫度下的試樣陽(yáng)極電流隨氫滲透時(shí)間的變化.

根據(jù)擴(kuò)散理論可知,通過(guò)求解Fick第二定律,可以得到理想晶體中氫原子擴(kuò)散通量隨氫滲透時(shí)間變化的關(guān)系式[11].由于在實(shí)際材料中存在各類缺陷——?dú)湎葳?而這些氫陷阱對(duì)氫原子在材料中的擴(kuò)散均存在阻礙作用,因此在實(shí)際材料的氫滲透過(guò)程中,需要考慮各種氫陷阱對(duì)氫原子擴(kuò)散的阻礙作用.陳業(yè)新等[13]通過(guò)研究20 g純凈鋼中的氫原子擴(kuò)散行為,根據(jù)理想晶體中氫原子擴(kuò)散通量與氫滲透時(shí)間的關(guān)系式及氫陷阱對(duì)氫原子擴(kuò)散的作用,提出了實(shí)際材料中氫原子擴(kuò)散通量與氫滲透時(shí)間的關(guān)系式,簡(jiǎn)化了實(shí)際材料中氫原子表觀擴(kuò)散系數(shù)和穿透時(shí)間的計(jì)算.當(dāng)實(shí)際材料氫滲透時(shí),試樣陽(yáng)極電流密度隨氫滲透時(shí)間變化的關(guān)系式[13]為

式中:It為氫滲透t時(shí)刻的陽(yáng)極電流密度;I∞為當(dāng)t趨向于無(wú)窮大時(shí)的陽(yáng)極電流密度,即陽(yáng)極電流密度的穩(wěn)態(tài)值;L為試樣的厚度;Dap為氫原子在試樣中的表觀擴(kuò)散系數(shù);t為陰極氫滲透時(shí)間;t0為氫滲透初期氫原子填充氫陷阱所需要的時(shí)間,即氫原子的穿透時(shí)間.由于式(1)中的求和式收斂很快,通常當(dāng)n取值為3時(shí)就可以保證所得到的氫原子擴(kuò)散參數(shù)的精度[13].因此,本工作利用氫滲透曲線數(shù)據(jù),使用式(1)直接求氫原子在FeCrAl基合金中的擴(kuò)散參數(shù),采用n=3.

2 結(jié)果與討論

圖1為Fe-13Cr-6Al-2Mo和Fe-13Cr-6Al-2Mo-0.5Nb合金的微觀組織形貌.由圖1可見(jiàn),Fe-13Cr-6Al-2Mo合金的微觀組織為單相鐵素體組織(見(jiàn)圖1(a)),而在Fe-13Cr-6Al-2Mo合金中添加0.5%Nb后,合金的基體組織仍為鐵素體相,但在合金的晶粒中出現(xiàn)了細(xì)小的析出相(見(jiàn)圖1(b)).與Fe-13Cr-6Al-2Mo合金的晶粒尺寸相比,Fe-13Cr-6Al-2Mo-0.5Nb合金的晶粒得到了細(xì)化,用截線法測(cè)得Fe-13Cr-6Al-2Mo和Fe-13Cr-6Al-2Mo-0.5Nb合金的平均晶粒尺寸分別為38.72和33.67μm.這一結(jié)果表明:當(dāng)添加0.5%Nb后,在Fe-13Cr-6Al-2Mo合金的鐵素體基體中析出了細(xì)小的析出相粒子.由金屬學(xué)可知,在合金的退火過(guò)程中,晶界處的析出相會(huì)阻礙晶粒的正常長(zhǎng)大.因此,Fe-13Cr-6Al-2Mo-0.5Nb合金晶界處的析出相同樣起到了細(xì)化晶粒的作用,導(dǎo)致合金的晶粒尺寸降低了13%.已有研究發(fā)現(xiàn)[14],當(dāng)在FeCrAlMo基合金中添加的Nb含量低于1.2%時(shí),合金中析出細(xì)小彌散的第二相,合金的晶粒尺寸隨Nb含量的增加而降低,此結(jié)果與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)圖1)一致.

圖1 Fe-13Cr-6Al-2Mo合金和Fe-13Cr-6Al-2Mo-0.5Nb合金的微觀組織形貌Fig.1 Optical microstructure of Fe-13Cr-6Al-2Mo alloy and Fe-13Cr-6Al-2Mo-0.5Nb alloy

圖2 為Fe-13Cr-6Al-2Mo和Fe-13Cr-6Al-2Mo-0.5Nb合金的X射線衍射(X-ray diffraction,XRD)圖譜.由圖2(a)可知,Fe-13Cr-6Al-2Mo合金的相組織為單一的體心立方(bodycentered cubic,bcc)結(jié)構(gòu)相——鐵素體α相.當(dāng)在合金中添加0.5%Nb后,Fe-13Cr-6Al-2Mo-0.5Nb合金的XRD中除出現(xiàn)鐵素體α相的衍射峰外,還出現(xiàn)了析出相的衍射峰(見(jiàn)圖2(b)).

圖2 Fe-13Cr-6Al-2Mo合金和Fe-13Cr-6Al-2Mo-0.5Nb合金的XRD圖譜Fig.2 XRD patterns of Fe-13Cr-6Al-2Mo alloy and Fe-13Cr-6Al-2Mo-0.5Nb alloy

圖3 是用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)觀察到的Fe-13Cr-6Al-2Mo合金和Fe-13Cr-6Al-2Mo-0.5Nb合金的微觀組織形貌以及能譜(energy dispersive spectrometer,EDS)分析結(jié)果.由圖可見(jiàn),Fe-13Cr-6Al-2Mo合金為單一的鐵素體相組織(見(jiàn)圖3(a)),而在Fe-13Cr-6Al-2Mo-0.5Nb合金的鐵素體基體中存在數(shù)量較多、細(xì)小的析出相,這些析出相彌散、均勻地分布在晶粒內(nèi)及晶界處(見(jiàn)圖3(b)).能譜分析結(jié)果(見(jiàn)表3)表明,合金析出相中的Nb含量(28.34%,原子分?jǐn)?shù))明顯高于基體中的Nb含量(0.74%,原子分?jǐn)?shù)),即析出相是富Nb元素的析出相.由表3中的數(shù)據(jù)可知,在析出相中Fe和Nb的原子比大致為2∶1.

圖3 Fe-13Cr-6Al-2Mo合金和Fe-13Cr-6Al-2Mo-0.5Nb合金的SEM形貌圖及基體和析出相能譜圖Fig.3 SEM and EDS of Fe-13Cr-6Al-2Mo alloy and Fe-13Cr-6Al-2Mo-0.5Nb alloy

表3 Fe-13Cr-6Al-2Mo-0.5Nb合金中析出相的元素含量(原子分?jǐn)?shù))Table 3 Elements contents of precipitated phase in Fe-13Cr-6Al-2Mo-0.5Nb alloy(atom percent) %

圖4(a)為用透射電子顯微鏡(transmission electron microscope,TEM)觀察到的Fe-13Cr-6Al-2Mo-0.5Nb合金中析出相的形貌,圖4(b)和圖4(c)分別為合金基體和析出相的電子衍射花樣.分析圖4(b)的電子衍射花樣可知,Fe-13Cr-6Al-2Mo-0.5Nb合金的基體結(jié)構(gòu)為體心立方結(jié)構(gòu)(bcc)——鐵素體α相,這與XRD的結(jié)果一致(見(jiàn)圖2(a)).而圖4(c)的電子衍射花樣表明,析出相為密排六方(hexagonal close-packed,hcp)結(jié)構(gòu).同時(shí)TEM的能譜分析結(jié)果顯示,在析出相中Nb原子分?jǐn)?shù)為29.8%,而Fe原子分?jǐn)?shù)為62.2%,Fe和Nb原子比約為2∶1,這與能譜分析的結(jié)果一致(見(jiàn)表3).由此可見(jiàn),當(dāng)在Fe-13Cr-6Al-2Mo合金中添加0.5%Nb后,合金中析出的新相為Fe2M型的拉弗斯相——Fe2Nb,這也與文獻(xiàn)[5]報(bào)道的結(jié)果一致.

圖4 Fe-13Cr-6Al-2Mo-0.5Nb合金的微觀結(jié)構(gòu)及基體、析出相的電子衍射花樣Fig.4 Microstructure and electron diffraction pattern of matrix and precipitated phase in Fe-13Cr-6Al-2Mo-0.5Nb alloy

為了研究Nb原子對(duì)氫原子在Fe-13Cr-6Al-2Mo合金中擴(kuò)散行為的作用,本工作開(kāi)展了Fe-13Cr-6Al-2Mo和Fe-13Cr-6Al-2Mo-0.5Nb合金的氫滲透實(shí)驗(yàn).圖5為Fe-13Cr-6Al-2Mo合金和Fe-13Cr-6Al-2Mo-0.5Nb合金在35°C下的氫滲透曲線.由圖可見(jiàn),當(dāng)在Fe-13Cr-6Al-2Mo合金中添加0.5%Nb后,氫原子在合金中的穿透時(shí)間t0增加了,而合金氫滲透曲線的陽(yáng)極穩(wěn)態(tài)電流密度I∞卻降低了.利用式(1)分別對(duì)圖5中兩種合金的氫滲透曲線進(jìn)行擬合,得到的氫原子在兩種合金中的擴(kuò)散參數(shù)如表4所示.

圖5 兩種合金在35°C下的氫滲透曲線Fig.5 Hydrogen permeability curves of two alloys at 35°C

由表4可知,在Fe-13Cr-6Al-2Mo合金中添加0.5%Nb后,氫原子在Fe-13Cr-6Al-2Mo-0.5Nb合金中的穿透時(shí)間增加了116.7%,而合金的陽(yáng)極穩(wěn)態(tài)電流密度卻降低了38.6%,且氫原子在合金中的表觀擴(kuò)散系數(shù)Dap也降低了55%,由此可見(jiàn),0.5%Nb的添加有效阻礙了氫原子在Fe-13Cr-6Al-2Mo合金中的擴(kuò)散.根據(jù)Nb原子對(duì)Fe-13Cr-6Al-2Mo合金微觀組織的作用(見(jiàn)圖1和2)可知,添加0.5%Nb后,合金的晶粒變小了,且合金中析出了細(xì)小、彌散分布的Fe2Nb相(見(jiàn)圖1、3和4).由此可以推斷,氫原子在含Nb的Fe-13Cr-6Al-2Mo合金中的擴(kuò)散行為變化與合金的微觀組織變化密切相關(guān).對(duì)于氫原子的擴(kuò)散而言,相界面是氫陷阱,會(huì)導(dǎo)致氫原子在合金中的表觀擴(kuò)散系數(shù)降低.而晶界對(duì)氫原子在合金中的擴(kuò)散存在兩方面的作用,一方面晶界作為氫原子擴(kuò)散的快速通道,會(huì)提高氫表觀擴(kuò)散系數(shù);但是另一方面,晶界作為氫陷阱,會(huì)降低氫原子的表觀擴(kuò)散系數(shù)[11].因此,晶界對(duì)氫原子在合金中擴(kuò)散的作用將取決于這兩個(gè)相反作用的共同結(jié)果.計(jì)算材料學(xué)結(jié)果[15]表明,當(dāng)X70鋼的晶粒尺寸是優(yōu)化的適中晶粒尺寸時(shí),氫原子在鋼中的表觀擴(kuò)散系數(shù)最大.已知合金中氫陷阱的數(shù)量和分布對(duì)氫原子在合金中的擴(kuò)散起阻礙作用[16-17],而合金中的晶界和析出相與基體間的相界均為氫陷阱.因此,當(dāng)在Fe-13Cr-6Al-2Mo合金中添加0.5%Nb后,合金微觀組織的變化——合金晶粒細(xì)化及彌散析出相,導(dǎo)致合金中氫陷阱(晶界和相界)數(shù)量較大幅度的增加.當(dāng)擴(kuò)散氫原子與氫陷阱發(fā)生交互作用時(shí),氫陷阱有效降低了氫原子在Fe-13Cr-6Al-2Mo-0.5Nb合金中的擴(kuò)散速率,使氫原子在合金中的穿透時(shí)間增加,氫滲透的合金陽(yáng)極穩(wěn)態(tài)電流密度降低(見(jiàn)圖5),從而較大幅度地降低了氫原子在合金中的表觀擴(kuò)散系數(shù)(見(jiàn)表4).

為了研究Nb原子對(duì)Fe-13Cr-6Al-2Mo合金中氫擴(kuò)散激活能的作用,在充氫電流密度為0.6 mA/cm2以及溫度分別為35、45、55和65°C的條件下,對(duì)Fe-13Cr-6Al-2Mo和Fe-13Cr-6Al-2Mo-0.5Nb合金試樣進(jìn)行了氫滲透實(shí)驗(yàn),試樣的歸一化氫滲透陽(yáng)極電流密度隨氫滲透時(shí)間的變化如圖6所示.由圖可見(jiàn),隨著氫滲透溫度的升高,氫原子的穿透時(shí)間和陽(yáng)極電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)值所需要的時(shí)間隨之縮短.

利用式(1)對(duì)圖6中的曲線進(jìn)行擬合,得到了不同溫度下氫原子在兩種合金中的表觀擴(kuò)散參數(shù)(見(jiàn)表5).從表中數(shù)據(jù)可見(jiàn),氫原子在Fe-13Cr-6Al-2Mo和Fe-13Cr-6Al-2Mo-0.5Nb合金中的表觀擴(kuò)散系數(shù)均隨著氫滲透溫度的升高而增大,同時(shí)穿透時(shí)間隨之縮短.在相同氫滲透溫度下,含Nb合金中氫原子的表觀擴(kuò)散系數(shù)均小于不含Nb合金中氫原子的表觀擴(kuò)散系數(shù),而含Nb合金中氫原子的穿透時(shí)間均大于不含Nb合金中氫原子的穿透時(shí)間.在本實(shí)驗(yàn)的氫滲透溫度范圍內(nèi),0.5%Nb的添加使氫原子在Fe-13Cr-6Al-2Mo中的表觀擴(kuò)散系數(shù)降幅達(dá)到36%～55%,而氫原子的穿透時(shí)間增幅則達(dá)到116%～185%.由此可見(jiàn),添加在合金中的Nb原子有效阻礙了氫原子在Fe-13Cr-6Al-2Mo合金中的擴(kuò)散.

表5 不同實(shí)驗(yàn)溫度下氫在兩種合金試樣中的表觀擴(kuò)散系數(shù)Table 5 Apparent diffusion coefficient of hydrogen in two alloy samples at different experimental temperatures

在氫滲透過(guò)程中,氫原子在材料中的表觀擴(kuò)散系數(shù)與溫度的關(guān)系滿足Arrehnius方程,

式中:D0為指前因子;E為氫原子在材料中的擴(kuò)散激活能;R為氣體常數(shù);T為氫滲透溫度.

對(duì)式(2)的兩邊取對(duì)數(shù)可得

根據(jù)式(3),利用表5中氫原子的表觀擴(kuò)散系數(shù),作lnD～1/T的關(guān)系曲線(見(jiàn)圖7).由圖可見(jiàn),氫原子在Fe-13Cr-6Al-2Mo和Fe-13Cr-6Al-2Mo-0.5Nb合金中的表觀擴(kuò)散系數(shù)的對(duì)數(shù)與氫滲透溫度倒數(shù)之間存在良好的線性關(guān)系,即氫原子在Fe-13Cr-6Al-2Mo和Fe-13Cr-6Al-2Mo-0.5Nb合金中的擴(kuò)散行為均很好地滿足Arrehnius方程.由圖7中的直線斜率求得氫原子在Fe-13Cr-6Al-2Mo和Fe-13Cr-6Al-2Mo-0.5Nb合金中的擴(kuò)散激活能分別為23.65和35.54 kJ/mol.由此得到,在308.15～338.15 K溫度范圍內(nèi),氫原子在Fe-13Cr-6Al-2Mo和Fe-13Cr-6Al-2Mo-0.5Nb合金中的表觀擴(kuò)散系數(shù)與氫滲透溫度的關(guān)系分別為

氫原子在合金中的擴(kuò)散激活能與合金的成分、相組成以及氫陷阱的數(shù)量、分布均存在相關(guān)性.由圖7中的直線斜率可知,氫原子在Fe-13Cr-6Al-2Mo-0.5Nb合金中的擴(kuò)散激活能比在Fe-13Cr-6Al-2Mo合金中的擴(kuò)散激活能提高了50.3%,可見(jiàn)在Fe-13Cr-6Al-2Mo合金中添加少量的Nb可明顯降低氫原子在合金中的表觀擴(kuò)散系數(shù).從合金的微觀組織變化可知,當(dāng)在Fe-13Cr-6Al-2Mo合金中添加0.5%Nb后,合金的晶粒尺寸得到了細(xì)化,并在合金的基體上析出彌散分布、細(xì)小的Fe2Nb相.合金微觀組織的變化導(dǎo)致合金中的氫陷阱——晶界和相界數(shù)量的大幅增加.由于氫陷阱與氫原子之間存在很強(qiáng)的結(jié)合力[18],從而對(duì)擴(kuò)散氫原子存在很強(qiáng)的捕獲作用.當(dāng)氫原子進(jìn)入氫陷阱后,由于氫原子和氫陷阱之間存在較大的作用力,導(dǎo)致氫陷阱中的氫原子較難從這些陷阱中逃逸出來(lái)參與擴(kuò)散,從而有效阻礙了氫原子在合金中的擴(kuò)散,使氫原子在合金中的表觀擴(kuò)散系數(shù)得到較大幅度的降低(見(jiàn)表5),而氫原子在合金中的擴(kuò)散激活能隨之增大(見(jiàn)圖7).本工作所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[19-20]中報(bào)道的晶界和相界對(duì)氫原子在合金中擴(kuò)散行為作用的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致.

圖7 兩種合金試樣氫滲透時(shí)ln Dap與1 000/T的關(guān)系Fig.7 Relationship between ln Dap and 1 000/T in the hydrogen permeation of two alloy samples

3 結(jié)論

(1)添加0.5%Nb可使Fe-13Cr-6Al-2Mo合金的晶粒尺寸減小,且在合金中析出細(xì)小、彌散分布的Fe2Nb相.

(2)0.5%Nb的添加有效降低了氫原子在Fe-13Cr-6Al-2Mo合金中的擴(kuò)散速率,在308.15～338.15 K溫度范圍內(nèi),氫原子在合金中的表觀擴(kuò)散系數(shù)降低了36%～55%,氫原子在合金中的穿透時(shí)間增加了116%～185%,氫原子在合金中的擴(kuò)散激活能提高了50.3%.

(3)由于添加Nb改變了Fe-13Cr-6Al-2Mo合金的微觀組織,提高了合金中氫陷阱的濃度,從而有效降低了氫原子在合金中的擴(kuò)散速率.