核能作為經濟、高效、清潔能源，在安全性、穩定性以及環境友好性上具有明顯優勢，逐漸成為未來能源結構中的支柱。然而，在利用核能的同時，也伴隨著乏燃料的產生，確保乏燃料貯存安全是核電持續發展的重要保障。由于B元素具有低密度、高中子吸收截面、與熱中子作用后無二次輻射污染等特性，國內外核電站乏燃料的貯存方式多采用濕法貯存，即將乏燃料貯存于配有中子吸收材料格架的H3BO3水池中。含B奧氏體不銹鋼具有良好的中子屏蔽性能，同時具備高的強度和良好的韌性，被廣泛用作中子吸收材料。然而，B元素的添加會導致含B不銹鋼中大量析出(Cr, Fe)2B相，這些第二相對濕法貯存環境中的含B不銹鋼腐蝕性能影響的內在機制尚未澄清，嚴重制約了高性能含B不銹鋼的研發與應用。
近期，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心材料動力學研究部王建強研究員課題組在前期乏燃料濕法貯存環境中材料腐蝕行為研究基礎上（D.B. Wang et al. Corros. Sci., 188 (2021) 109529; D.B. Wang et al. J. Mater. Sci. Technol., 140 (2023) 233-248.），與沈陽材料科學國家研究中心材料設計與計算研究部陳星秋研究員課題組、技術支撐部崔靜萍高級工程師、材料腐蝕與防護中心自然環境腐蝕研究部馬愛利副研究員、中國機械總院集團沈陽鑄造研究所于波研究員課題組和牛津儀器科技（上海）有限公司劉志文博士等合作，在乏燃料濕法貯存環境中含B不銹鋼的腐蝕機理方面，尤其是B元素含量和H3BO3對含B不銹鋼點蝕性能的影響機制方面取得了新進展。
該團隊通過熱力學計算設計并制備了B元素質量分數分別為0.6% (B06)、1.2% (B12)和1.8% (B18)的三種亞共晶含B不銹鋼（圖1），并系統研究了不同Cl-/H3BO3比的溶液環境中三種合金的電化學腐蝕行為。研究表明，三種含B不銹鋼均由γ奧氏體基體和(Cr, Fe)2B第二相組成，其點蝕特性取決于局部貧Cr區誘導的蝕點萌生和微電偶作用控制的蝕點生長的協同作用（圖2），導致點蝕優先發生在(Cr, Fe)2B/γ基體界面處（圖3）。隨B含量增加，含B不銹鋼中的(Cr, Fe)2B相體積分數增加，平均尺寸增大，(Cr, Fe)2B/γ基體界面處貧Cr區的密度和寬度增加，貧Cr區中Cr含量降低，這些變化增加了含B不銹鋼表面鈍化膜的不均勻性，點蝕萌生更為敏感。另一方面，(Cr, Fe)2B相體積分數增加且尺寸增大，加劇了兩相間的微電偶作用，進一步促進了含B不銹鋼的點蝕穩定生長，最終導致高B不銹鋼鈍化性和長期使役性能的降低（圖4）。此外，通過電化學實驗和第一性原理計算表明，含B不銹鋼點蝕性能敏感于溶液環境中的Cl-/H3BO3比值：在低Cl-/H3BO3環境，B(OH)4-的競爭性吸附抑制了Cl-在合金鈍化膜表面的吸附，從而抑制了蝕點的萌生，增強了含B不銹鋼的耐蝕性（圖5）。反之，在高Cl-/H3BO3環境，H3BO3電離的酸化作用促進了點蝕穩定生長，進而降低了合金的耐蝕性。基于本研究提出的(Cr, Fe)2B相誘導的“貧Cr-微電偶耦合機制”，該團隊優化了B18合金熱軋工藝，改善了(Cr, Fe)2B相的形態、尺寸及分布特征，從而顯著提升了高中子吸收含B不銹鋼的耐點蝕性能（圖6）。
相關研究成果以“Unveiling the pitting corrosion mechanism of borated stainless steel in the wet storage environment of spent nuclear fuels”發表于Acta Materialia, 263 (2024) 119477 (https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119477)。金屬所博士生王德斌為第一作者，馬會副研究員、張鎖德副研究員和王建強研究員為共同通訊作者。
上述工作得到了國家自然科學聯合基金項目、中國科學院重點部署項目、國家科技重大專項及沈陽材料科學國家研究中心等項目的資助。
圖1. 三種不同B含量含B不銹鋼的設計：通過熱力學計算獲得 (a) 含B不銹鋼偽二元相圖；(b) B06合金、(c) B12合金和 (d) B18合金的平衡相隨溫度的分數。
圖2. 三種含B不銹鋼的TEM表征：(a-c) HAADF像；(d-e) (Cr, Fe)2B相和(f-g) γ基體的選區電子衍射結果；(h-j) (Cr, Fe)2B/γ基體界面的成分分布；(k-m) B18合金的SKPFM結果。
圖3. 三種含B不銹鋼微納尺度的腐蝕形貌特征，點蝕優先發生在(Cr, Fe)2B/γ基體界面處。
圖4. 三種含B不銹鋼的電化學腐蝕性能：(a-f) 三種含B不銹鋼在不同Cl-/H3BO3比的溶液中的極化曲線、(g) 鈍化區間變化統計。
圖5. 第一性原理計算B(OH)4-和Cl-在(a1-a3) γ基體、(b1-b3) (Cr, Fe)2B相、(c1-c3) γ基體表面鈍化膜和(d1-d3) (Cr, Fe)2B相表面鈍化膜的吸附能及鍵長。
圖6. 高B不銹鋼合金結構調控及抗點蝕腐蝕性能的提升。
