[論文レビュー] Investigation of Corroded T91 Steel in Static Lead-Bismuth Eutectic Under an Oxidising Environment

Minyi Zhang, Weiyue Zhou+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2026

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ひとこと要約

The paper studies how T91 ferritic/martensitic steel corrodes in static lead-bismuth eutectic under high-temperature oxidising conditions, emphasizing the role of surface protection layers, grain boundary oxidation, and diffusion of chromium and oxygen.

ABSTRACT

Understanding corrosion in liquid metal-cooled nuclear systems is tantamount to controlling it. While much literature exists detailing corrosion rates and mechanisms of structural materials in liquid metals, much still remains to be discovered in new regimes of temperature, chemistry, and impurity levels. We focus on a less-studied set of conditions, specifically to investigate how liquid lead-bismuth eutectic (LBE) corrodes ferritic/martensitic steels in high-temperature oxidizing conditions. We find that corrosion follows grain boundaries, transitioning from intergranular attack to broader area corrosion as it progresses. Both the Cr and oxygen diffusion play vital roles in this process. Mechanistically speaking, the ingress of LBE induces regions of martensitic decomposition to ferrite via localized Cr depletion, somewhat blunting or slowing the corrosion from occurring. A stable, coherent oxide scale appears to be the deciding factor controlling whether intergranular LBE attack occurs or not. Most surprisingly, a layer of Fe enriched BCC phase forms on the surface of LBE-corroded T91 at these conditions, contradicting previous studies, including our own, which reported oxide-based surface layers.

研究の動機と目的

• 高温酸化環境下で液体鉛–铋共晶体中のT91鋼の腐食進展を理解する。
• 保護酸化皮膜が形成され腐蚀速度に与える影響のメカニズムを特定する。
• 結晶境界およびクロムと酸素の拡散が腐食進展にどう影響するかを検討する。

提案手法

• 高温下の酸化条件下で静止鉛–铋共晶体にT91鋼を曝露する。
• 保護領域と非保護領域を区別する表面層と腐食パターンを表征する。
• 酸化スケール形成と破壊におけるクロムおよび酸素の拡散の役割を解析する。
• 酸化物以外の表面層（鉄富化体心立方相など）の発生を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 酸化条件下で静止型鉛–铋共晶体中のT91鋼の腐食はどう進行するか？
• RQ2 保護表面層の形成機構と腐食速度への有効性を決定するメカニズムは何か？
• RQ3 腐食過程におけるクロムと酸素の拡散の役割は何か？
• RQ4 結晶境界に対して腐食攻撃はどこで開始・伝播するか？
• RQ5 酸化物以外の表面層が形成されるか、またそれが腐食にどのように影響するか？

主な発見

• 保護層の形成が腐蚀進行を遅らせる。
• 保護されていない領域ではマルテンサイト組織境界に沿って酸化が進行し、その後オーステナイト前境界に沿って進行する。
• クロムと酸素の拡散は保護機構と腐食進展の鍵となる。
• LBE中の腐食T91には鉄富化体心立方構造の表面層が形成され、従来報告の酸化物表層のみとは異なる。