超临界CO2材料腐蚀过程动力学与产物热力学研究

郭亭山,梁志远,赵钦新 (西安交通大学热流科学与工程教育部重点实验室)

摘要:针对超临界CO2动力循环高温承压部件与工质相容性问题,研究了T92耐热钢在600和700℃超临界CO2环境下的腐蚀过程动力学及其热力学产物。采用分子动力学计算了CO2在FeCr合金表面的吸附过程,模拟了T92耐热钢在初始氧化阶段原子的迁移和分布规律,并基于腐蚀热力学原理,分析了氧化层和碳化物的分布规律,最后通过高温腐蚀实验进行了验证。研究结果表明:700℃时,T92耐热钢氧化层厚度约为600℃时的13.5倍,氧化层结构为外侧Fe3O4 层、内侧FeCr2O4层,氧化层内部主要为C23C6型碳化物;CO2优先吸附于Cr原子(111)表面,当Cr与CO2发生反应后,部分形成游离态的C沉积于氧化层表面,并以离子的形式向内扩散;腐蚀过程主要由离子扩散控制,扩散速率随着温度的升高而增大。该研究为超临界CO2材料抗腐蚀性能评估提供了一种复合分析方法,也为关键高温承压部件材料的遴选及腐蚀寿命预测提供了数据支撑。

关键词:超临界CO2;分子动力学;腐蚀热力学;高温腐蚀