【摘 要】
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氟化物熔盐具有较高的热导率、较大的比热容、较小的黏度、较低的饱和蒸汽压、较小的中子吸收截面以及较高的热稳定性等一系列优越的物理化学性质,因此其作为一种功能性材料,在核能、冶金和化工等领域具有广泛的应用前景。在核能领域,氟化物熔盐被用作熔盐堆的燃料载体和冷却剂,由于氟化物熔盐在高温下具有强腐蚀性,因此熔盐堆用结构材料除了需要具有优异的高温力学性能、抗中子辐照性能以及良好的可加工性之外,还尤其需要具有
【机 构】
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中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
【出 处】
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中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所
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氟化物熔盐具有较高的热导率、较大的比热容、较小的黏度、较低的饱和蒸汽压、较小的中子吸收截面以及较高的热稳定性等一系列优越的物理化学性质,因此其作为一种功能性材料,在核能、冶金和化工等领域具有广泛的应用前景。在核能领域,氟化物熔盐被用作熔盐堆的燃料载体和冷却剂,由于氟化物熔盐在高温下具有强腐蚀性,因此熔盐堆用结构材料除了需要具有优异的高温力学性能、抗中子辐照性能以及良好的可加工性之外,还尤其需要具有优异的耐熔盐腐蚀性能。GH3535合金具有优越的耐熔盐腐蚀性能,因而作为主要结构材料被广泛用于制造熔盐堆中的熔盐回路管道、堆芯容器及换热器。但堆内熔盐泵轴承及熔盐机械阀的阀座等特殊构件除需具备优异的耐熔盐腐蚀性能外,还需要具备耐磨损、耐粘结的性能,因此该构件往往需要使用耐磨合金材料。目前,关于此类耐磨合金材料在氟化物熔盐中腐蚀行为的研究极少。为了筛选适合于熔盐堆的耐磨合金,本论文对不同耐磨合金在氟化物熔盐环境中的腐蚀行为进行研究及比较,并系统性分析了相关腐蚀机理,探索了可能改进措施,为后续研究及耐磨合金在熔盐堆中的应用提供了基础。本论文开展的主要研究内容及结论概述如下:采用静态腐蚀方法,在石墨坩埚中评估了三种司太立合金(Stellite4、Stellite6和Stellite12)在FLiNaK熔盐中的腐蚀性能。研究发现,在700 ℃的FLiNaK熔盐中腐蚀100小时后,三种司太立合金中的Cr元素均沿枝晶边界发生选择性流失,流失深度均超过50μm,并且导致枝晶间碳化物发生局部分解。由于本研究中选取的三种司太立合金的耐熔盐腐蚀性能均不理想,远远弱于熔盐堆常用合金镍基合金,因此,实验中通过静态腐蚀方法评估了具有较低Cr含量的T-400合金的腐蚀性能,并考察了其与GH3535合金在FLiNaK熔盐中的相容性。研究表明,T-400合金遭受了不均匀腐蚀,富Cr的基体比富Mo的Laves相更容易受到腐蚀。当T-400合金与GH3535合金共存于FLiNaK熔盐中时,GH3535合金的存在通过电偶腐蚀机制促进T-400腐蚀,并引发Co通过熔盐从T-400试样到GH3535合金的传质。此外,石墨坩埚中的碳转移到T-400试样表面形成富Mo碳化物。由于T-400试样中富Cr的基体比富Mo的Laves相更容易受到腐蚀,因此接下来对T-400进行降Cr处理,并研究了低Cr含量的T-400合金在FLiNaK熔盐中的腐蚀机理。结果表明,不均匀分布在FLiNaK熔盐中的H2O分布和不均匀的合金显微组织导致合金遭受不均匀腐蚀,在不同区域呈现凹坑和粗糙表面形貌,凹坑形貌是由H2O引起的富Mo的Laves相颗粒优先腐蚀的结果,而粗糙形貌是由二次腐蚀引起的Co层和Co3Mo颗粒沉积的结果。另外,石墨坩埚中的碳转移到试样表面并向内扩散,导致试样渗碳至15μm的深度。因此不推荐T-400合金使用于广泛存在GH3535合金和石墨的典型熔盐堆环境。研究了WC-Ni硬质合金在700 ℃下在FLiNaK熔盐和相应的盐蒸气中的腐蚀行为,结果表明WC-Ni硬质合金的显微组织及硬度几乎没有受到腐蚀的影响,且质量及合金成分变化很小,表明其具有良好的氟盐相容性。熔盐中初始杂质H2O、P等杂质引起的直接腐蚀和Ni F2、WF6等腐蚀产物对合金的二次腐蚀导致浸泡在FLiNaK熔盐中的WC-Ni硬质合金仍发生了Cr流失,并在表面形成Ni和Ni5P2颗粒。熔盐及蒸汽中存在的氧化性杂质引起置于盐蒸汽中的WC-Ni硬质合金的表面形成薄片状Cr2O3氧化产物,并与盐蒸汽共同作用在试样表面形成K2Na Cr F6络合物。随着反应的持续进行,熔盐中的初始杂质含量逐渐耗尽,熔盐浸泡样品中的Cr的流失速率及置于蒸汽中样品的Cr2O3量都随之减少。WC-Ni硬质合金有望应用于熔盐堆环境,但熔盐中存在的初始杂质给材料带来的影响仍然值得注意,因此需要严格控制熔盐生产、运输与保存过程中引入的微量杂质含量。
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