近日，合肥综合性国家科学中心能源研究院中子技术应用研究中心孟献才副研究员在液态碱金属锂对钼基合金腐蚀行为和机理研究方面取得重要进展，相关研究成果“Corrosion characteristics of Mo and TZM alloy for plasma facing components in molten lithium at 623 K”在腐蚀领域顶级国际学术期刊Corrosion Science上发表[X.C. Meng, L. Li, C.L. Li et al., Corros. Sci. 200, 110202 (2022)]。

聚变装置中包层模块材料与液态锂的腐蚀特性研究可为聚变堆液态锂包层工作环境下材料的选择和服役期间的腐蚀防护提供科学依据，具有重要的意义。该研究采用浸没法，通过质量损失、表面微观形貌及成份、腐蚀深度等表征对比了纯钼（Mo）及钼基合（TZM）在623 K液态锂中的腐蚀特性，并揭示相关腐蚀机制。分析结果表明，腐蚀不会成为Mo和TZM材料在623 K液态锂中短期应用的关键问题。但对于TZM材料，采取必要的腐蚀防护手段是其在锂环境中长时间服役必须考虑的问题。研究表明，当液态锂与材料表面接触后发生还原反应致使氧化层（MoO3）首先溶解。材料表面碳（C）、钛（Ti）、锆(Zr)原子优先选择性向锂中溶解，致使Mo发生孔蚀而TZM发生孔蚀和晶界腐蚀。在液态锂中，碳与锂形成不稳定的Li2C2后迅速被Mo、Zr和Ti捕获形成稳定的碳化物（Mo2C、ZrC和TiC）并沉积（N杂质引入会形成ZrN和TiN等腐蚀产物），从而加速TZM的腐蚀。因此，严格控制材料中C和锂中的N含量可有效缓解TZM材料腐蚀；在保证性能的同时，使用在锂中溶解度低于Mo的元素替换Ti和Zr，可避免选择性溶解造成的晶界腐蚀。

本研究获得等离子物理研究所胡建生研究员和湖南大学邓辉球教授课题组的鼎力支持，同时也得益于美国PPPL、UIUC和JHU合作者的共同努力，并得到能源研究院重大培育专项、国家重点研发专项，国家自然科学基金等项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.corsci.2022.110202

图一: TZM在液态锂中的腐蚀过程