液体金属流動場における酸化被膜の形成・修復挙動

Self-healing behaviors of protective oxide films in liquid metal

瓦井 篤志*; 大林 寛生  ; 斎藤 滋   ; 佐々 敏信   ; 近藤 正聡*

Kawarai, Atsushi*; Obayashi, Hironari; Saito, Shigeru; Sasa, Toshinobu; Kondo, Masatoshi*

FeCrAl合金は表面に自己修復性のアルミナ被膜を形成し液体金属と優れた共存性を示すことから、核融合炉液体ブランケットの構造材料として有望視されている。本研究の目的は液体金属中における酸化被膜の形成・修復挙動を明らかにすることである。腐食試験は原子力機構の加速器駆動システム研究用の高温鉛ビスマス流動腐食試験ループ(OLLOCHI)により実施した。試験条件は、鉛ビスマス温度は450/350C、酸素濃度10wt%であった。試験片は予備酸化有及び無しのAPMT鋼の短冊状試験片を用いた。予備酸化処理により試験片の表面には約400nmのアルミナ皮膜が形成され、2,000時間の腐食試験後も腐食は見られなかった。一方、予備酸化無しの試験片では腐食試験後に表面に約37nmのアルミナ被膜が形成され、腐食は見られなかった。さらに酸化被膜の自己修復挙動を評価するため、表面に研削加工によって幅2mmの損傷を人工的に与え、2,000時間の腐食試験を行った。その結果、試験片の損傷部に厚さ30nm程度の酸化被膜が再形成されることが分かった。これは損傷させていない領域とほぼ同じ厚さであり、腐食は観察されなかった。APMT鋼は予備酸化の有無によらず液体鉛ビスマス中において、高い耐食性を有する被膜を自己形成・修復し優れた共存性を示すことがわかった。

FeCrAl alloys are promising structural materials for liquid metal blankets of fusion reactor because they form a self-healing alumina film on the surface and exhibit excellent coexistence with liquid metal. The purpose of this study is to clarify the formation and repair behavior of the oxide film in liquid metal. The corrosion tests were performed using the high temperature lead-bismuth flow corrosion test loop (OLLOCHI) for accelerator-driven system research at JAEA. Test conditions were lead-bismuth temperature of 450/350C and oxygen concentration of 10wt%. The specimens were strips of APMT with and without pre-oxidation. Pre-oxidation treatment formed an alumina film of about 400 nm on the surface of the specimens, and no corrosion was observed after 2,000 hours of corrosion testing. On the other hand, the specimen without pre-oxidation formed an alumina film of about 37 nm on the surface after corrosion testing, and no corrosion was observed. To further evaluate the self-healing behavior of the oxide film, the specimens were artificially damaged by grinding to a width of 2 mm and subjected to 2,000-hour corrosion test. As a result, it was found that an oxide film of about 30 nm thickness was re-formed in the damaged area of the specimen. This is almost the same thickness as the undamaged area, and no corrosion was observed. It was found that APMT steel, with or without pre-oxidation, exhibited excellent coexistence in liquid LBE by self-forming and repairing a highly corrosion-resistant film.