近日，我院轻量化金属材料团队宁方强副教授在核电关键材料高温高压水/液态金属腐蚀行为与机理研究方面取得系列重要进展。2011年福岛核事故后，开发具备更高事故耐受能力的新型燃料包壳材料成为国际核工业界的迫切需求；与此同时，以铅冷快堆（LFR）为代表的第四代先进核能系统虽前景广阔，但其结构材料在高温液态铅铋共晶（LBE）中的严重腐蚀问题仍是制约工程应用的主要瓶颈。因此，揭示候选材料在极端水化学及液态金属环境中的腐蚀机理，探索成分优化与表面调控新策略，具有重要的科学意义与工程价值。

团队聚焦于事故容错燃料（ATF）包壳材料和LFR结构材料的前沿需求，系统探究了合金元素（C、Si）与微观结构（双相、表面细晶层）对材料在苛刻服役环境下腐蚀行为的调控机制。相关研究成果连续发表于腐蚀领域顶级期刊《Corrosion Science》（中科院一区Top，IF：8.3），形成三篇高水平系列论文。山东科技大学材料科学与工程学院、山东省核电特种金属材料重点实验室为论文的第一完成单位与通讯单位，团队硕士研究生张立波为部分论文的第一作者，我院宁方强副教授、闫宏教授以及四川大学王辉教授、中国核动力研究设计院邓平副研究员等为共同通讯作者。

其中，针对事故容错燃料FeNiCrAl双相合金在压水堆（PWR）一回路水环境中的应用瓶颈，团队研究了不同碳（C）含量对其在高温硼锂水中腐蚀行为的影响。研究发现，γ相稳定性元素C提高了γ相比例，降低了α相比例，同时提高了γ和α相的Cr含量。虽然C提高了FeNiCrAlC合金中α相的Cr含量，但FeNiCrAl合金中α相的Cr含量已高达23 at.%，再提高Cr含量对氧化膜厚度影响不大，故两种合金的α相上均形成一层很薄的氧化膜，表明C对FeNiCrAl合金α相的腐蚀性能影响不大；但C将γ相中的Cr含量从15 at.%提高至17 at.%，明显减小了γ相上氧化膜的厚度，增强了其耐腐蚀性能；此外，α相中的B2-NiAl相作为阳极会优先发生腐蚀，所以C通过降低α相比例减少B2-NiAl的含量，从而降低α相的腐蚀速率；总体而言，C增强了FeNiCrAl合金的耐高温水腐蚀性能。该研究阐明了双相合金在高温水中的腐蚀机理及C元素的影响机制，为新型ATF包壳材料的成分优化提供了理论依据，研究成果以“Corrosion behavior of FeNiCrAl duplex alloys with different C concentrations in borated and lithiated high-temperature water”为题发表。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.corsci.2025.113115。

在面向铅冷快堆的结构材料研究中，团队针对铁素体/马氏体（F/M）耐热钢在液态LBE中的腐蚀问题，重点考察了硅（Si）元素的关键作用。研究发现，随着Si含量从0增加至1.0 wt%，材料在550 ℃、饱和氧液态LBE中的总氧化膜厚度显著降低约27%。团队基于热力学分析和结构表征在微观尺度揭示了Si的微观作用机制：首先，Si被优先氧化生成非晶SiO₂作为Fe-Cr尖晶石的异质形核点，降低了尖晶石形核能垒，从而加速了保护性氧化膜的形成；其次，SiO₂增强了氧化膜致密性，并沿马氏体板条界连续分布起到钉扎作用，提升了膜/基体界面结合力；最后，Si的添加提高了δ-铁素体的析出倾向，由于δ-铁素体相较于马氏体具有更高的Cr含量和更低的缺陷密度，其边界处易形成保护性氧化膜，同时能降低氧化层孔隙率，有利于进一步提升材料的耐LBE腐蚀性能。该研究阐明了Si通过控制微观结构和氧化膜的形成与演化过程增强耐LBE腐蚀性能的微观机制。相关成果以“The effect of Si on the microstructure and corrosion resistance of XSi9Cr ferritic/martensitic steel in oxygen-saturated lead-bismuth eutectic”为题发表。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.corsci.2025.113079。

进一步，为探究表面加工状态与合金元素的协同效应，团队深入分析了不同表面加工状态（研磨和抛光）与Si对9Cr F/M钢在液态LBE中初期腐蚀行为的影响机理。研究表明，对于0Si9CrF/M钢，由于其Cr含量较低，研磨与抛光后的样品腐蚀行为无明显差异。然而，对于0.7Si9CrF/M钢，研磨引入的表面细晶应变层极大地加速了Cr和Si元素的短路扩散。在Si辅助降低尖晶石形核能垒的共同作用下，材料表面快速形成了一层仅约157nm的致密早期保护性氧化膜（外层富Cr，内层富Si），该膜层在腐蚀初期（<1000h）展现出优异的保护效果。动力学分析表明，这种协同作用使初始生长系数降低了约70%。该研究阐明了表面加工状态对9Cr F/M钢腐蚀行为的影响规律，明确了“表面细晶化+活性元素Si”的协同作用可有效诱导超薄保护性氧化膜的形成，也为通过表面工程手段提升核用材料耐腐蚀性能提供理论支撑，相关成果以“The synergistic effects of surface condition and Si on the initial corrosion behavior of 9Cr ferritic/martensitic steel in liquid lead-bismuth eutectic”为题发表。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.corsci.2026.113858。

上述系列研究工作得到国家自然科学基金、山东省自然科学基金、山东省青年科技人才托举工程及青岛市自然科学基金等项目的资助。