Corrosion resistance of Al-alloying high Cr-ODS steels in stagnant lead-bismuth

停留鉛ビスマス中でのAl合金・高Cr-ODS鋼の耐食性

高屋 茂  ; 古川 智弘  ; 井上 賢紀 ; 藤澤 敏治*; 奥田 隆成*; 阿部 冨士雄*; 大貫 惣明*; 木村 晃彦*

Takaya, Shigeru; Furukawa, Tomohiro; Inoue, Masaki; Fujisawa, Toshiharu*; Okuda, Takanari*; Abe, Fujio*; Onuki, Somei*; Kimura, Akihiko*

ODSフェライト鋼は、優れた高温強度を有し、燃料被覆管の候補材であるが、LBEとの共存性がADS及びLBE冷却FBRにおける一つの課題である。Al添加とCr増加は、共存性に良い影響を与えると考えられるが、Al添加は高温強度の低下を招き、Cr増加は時効脆化が懸念される。そのため、耐食性と高温強度をバランスさせる最適なAl添加量とCr増加量を求める必要がある。本研究では、LBE中溶存酸素濃度10wt%, 650Cの条件で3000時間,LBE中に浸漬された試験片の断面観察をSEM及びオージェ電子分光法により実施した。その結果、複合酸化物/内部酸化層と母材の間に連続的に非常に薄いAl酸化膜が形成され、そのようなAl酸化皮膜がさらなる複合酸化物/内部酸化層の成長を抑制していることがわかった。Al濃度が2から4wt%に増加することにより酸化皮膜の平均厚さが、薄くなる傾向があった一方、Cr濃度への依存性はほとんど確認できなかった。さらに、5000時間の腐食試験を実施した。これらの材料は、10wt%, 650Cの条件でも優れた耐食性を示した。3.5wt%のAl添加は耐食性の向上に大変有効である。

Oxide dispersion strengthened (ODS) ferritic steels with excellent high-temperature strength are the candidates for fuel cladding tubes. But, the compatibility with lead bismuth eutectic (LBE) is one of the key issues in accelerator driven system and LBE cooled fast reactors. Addition of Al and increase in Cr may have beneficial influence on the compatibility. Addition of Al, however, causes a decrease in high-temperature strength. A significantly higher Cr concentration results in aging embrittlement. Therefore, we need to find their optimal amount to balance corrosion resistance with high-temperature strength. In this study, the cross sections of the samples after 3,000 h of exposure to LBE with 10 wt% oxygen at 650 C are examined in detail using scanning electron microscope and Auger electron spectroscopy. The observation shows that very thin Al oxide layer is formed continuously between multiple oxide layer/internal oxide zone and matrix, and that such Al oxide layer suppresses further growth of multiple oxide layer/internal oxide zone. The average oxide layer thickness shows a tendency to get thinner by increasing in Al content from about 2 to 4 wt%, although significant dependency on Cr content is not recognized. Furthermore, the additional corrosion test for 5,000 h is conducted. These materials show good corrosion resistance even after 5,000 h of exposure to LBE containing 10 wt% at 650 C. Addition of 3.5 wt% Al is very effective in improving corrosion resistance.