当温度、压力均高于临界点时（31.2 ℃、7.38 MPa），二氧化碳将转变为超临界二氧化碳（S-CO2），其兼具液体的溶解性和气体的扩散性，具有压缩性好、传热效率高的优点[1]。以S-CO2作为冷却工质的反应堆具有更高的发电效率、更低的空间占有率，可以应用于核动力舰艇、车载移动电源等场景[2]，发展前景广阔。然而，S-CO2气冷反应堆的运行温度为500~600 ℃，远高于传统水冷堆型，使薄壁结构的反应堆包壳易发生腐蚀失效，因此其选材成为了制约S-CO2气冷反应堆研究和发展的关键问题[3]。

奥氏体不锈钢兼具优异的耐蚀性[4]、中子经济性及辐照稳定性[5]，被视为S-CO2气冷反应堆的主要候选包壳材料。然而，现阶段奥氏体不锈钢在高参数S-CO2环境中的腐蚀机理并不明晰，其行为受到材料成分、环境等因素的显著影响。奥氏体不锈钢表面能否形成连续的Cr2O3氧化膜是其能否在S-CO2环境中应用的关键[6]。OSTWALD等[7]指出，当奥氏体不锈钢中Cr质量分数超过18%时，不锈钢表面能够形成连续的Cr2O3氧化膜。310S（wCr≈25%）和316L（wCr≈18%）不锈钢具有较高Cr含量，可应用于S-CO2环境。然而，现有针对310S和316L不锈钢的研究存在试验环境与材料服役环境贴合性差、腐蚀机制不明等问题[8]。因此，作者在600 ℃、20 MPa的S-CO2环境中对这两种不锈钢的均匀腐蚀行为进行了研究，对比了两种不锈钢的耐蚀性，分析了氧化膜生长机理，为其在S-CO2核动力装置中的应用提供参考。

1. 试验

1.1 试验材料

试验采用商用310S和316L奥氏体不锈钢，实测化学成分见表1。由于Cr、Ni、Fe三种元素对奥氏体不锈钢在S-CO2环境中的腐蚀行为影响最为显著[4]，为深入研究其影响，对这三种元素进行归一化处理，其结果如表1所示。

310S和316L不锈钢的平均晶粒尺寸分别为19 μm和18.4 μm。晶粒尺寸对材料腐蚀具有显著影响[9]，而在本研究中，310S和316L不锈钢的晶粒尺寸相近，故可以排除该因素的影响。

1.2 腐蚀试验

模拟S-CO2环境对310S和316L不锈钢进行均匀腐蚀试验，试验装置如图1所示。该装置包括气体供给系统、高温试验系统和数据采集与控制系统。试验温度为（600±0.5）℃，压力为（20±0.5）MPa。

图 1 模拟S-CO2环境均匀腐蚀试验设备示意图

Figure 1. Schematic diagram of experimental device for general corrosion test in simulated S-CO2 environment

采用线切割方式制备尺寸为20 mm×10 mm×2 mm的片状试样，试样边缘打孔（直径1.5 mm）以方便悬挂。采用180号、400号、800号、1200号、2000号的SiC水砂纸逐级打磨试样表面，并用5 μm的Al2O3悬浊液进行机械抛光。然后，经超纯水清洗、无水乙醇超声去污30 min后，对试样进行烘干并称量。试验总时长为500 h，取样节点为100、300、500 h。每次取样时先降温开釜，取出试样并使用电子天平进行称量（误差±0.1 mg），留样之后将试样放回釜内继续试验。

采用扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）、X射线衍射（XRD）等表征手段对均匀腐蚀后试样形貌、相成分、组织结构和化学成分进行观察和分析。

2. 结果与讨论

2.1 腐蚀后质量变化

在600 ℃、20 MPa的S-CO2环境中腐蚀后310S和316L不锈钢的质量变化情况如图2所示。结果表明，经500 h腐蚀后，310S和316L不锈钢的质量均有所增加，其增量分别为6.82 mg/dm2和35.25 mg/dm2，远低于相同条件下钒钼合金（约1 000 mg/dm2）和部分铁素体钢（约500 mg/dm2）的质量增量[4]，说明这两种不锈钢均具有较好的耐蚀性。其中，310S不锈钢腐蚀后的质量增量远低于316L不锈钢腐蚀后的质量增量，说明310S不锈钢的耐蚀性优于316L不锈钢。

图 2 在600 ℃、20 MPa的S-CO2环境中腐蚀后两种不锈钢的质量增量

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