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TP439不銹鋼在800 ℃高溫水蒸氣中的初期氧化行為

TP439是一種鐵素體不銹鋼（高Cr，含穩定化元素Ti），因其良好的綜合力學性能、抗晶間腐蝕性、低熱膨脹系數和高導熱性，被廣泛用作核電站高壓加熱器的管材。服役工況通常是高溫高壓水蒸汽環境，氧化是導致其失效（如泄漏）的主要原因之一。

2026-02-12

TP439不銹鋼在800 ℃高溫水蒸氣中的初期氧化行為

研究背景

研究方法

實驗材料

TP439鐵素體不銹鋼，經線切割后處理成尺寸為16×15×1.5mm的矩形試樣。

水氧實驗

800℃，氣氛為90%H₂O+10%Ar (體積分數%)，保持氣體流量為0.15mm³/min。分別氧化15、30、45、60、90、120、240、480、720、1440和2880min，利用高精度天平對氧化后的樣品稱重，獲得氧化動力學曲線。

氧化動力學

初期階段0-2h：氧化增重快，遵循線性規律
第二階段2-48h：氧化速率減慢，遵循拋物線規律。

熱力學上，Cr比Fe更易氧化。隨著時間推移，Cr從基體內擴散至表面，逐步形成保護性更好的富Cr氧化層

圖. TP439不銹鋼在800 ℃高溫水蒸氣中48和2 h的氧化動力學曲線

研究結果

(1) TP439 不銹鋼在初期階段的氧化速率較快，氧化動力學符合線性氧化規律，線性速率常數k_l為5.21×10^-2mg·cm^-2·h^-1；第二階段的氧化動力學符合拋物線增長規律，拋物線速率常數 k_p為1.54×10^-3mg·cm^-2·h^-1。

(2) TP439不銹鋼氧化2 h后，XRD檢測到微弱的 (Cr，Fe)₂O₃、Cr₂O₃和Fe₂O₃衍射峰；氧化48 h后，氧化產物的主要成分為 (Cr，Fe)₂O₃和少量的 Cr₂O₃、Fe₂O₃、FeCr₂O₄尖晶石氧化物。

(3) 在800 ℃高溫水蒸氣環境中，TP439不銹鋼在氧化初期階段，氧化過程受界面反應控制，隨著氧化膜的不斷增厚，離子在氧化膜中的擴散速度受到阻礙，氧化控制步驟轉為擴散控制。由于晶界是元素快速擴散通道，在氧化過程中表面沿晶界處生成網狀氧化物，但隨氧化時間延長，網狀氧化物特征變得不明顯。

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