Si影响Ni-Mo-Si-C合金中M6C热稳定性的机理研究

It has been found that Si addition plays an important role in the precipitation of M6C carbides and various performances of Hastelloy N alloy. Sufficient evidences proved that these phenomenons are related to the doping of Si atoms in the M6C carbides. But so far, the preferential site occupation of Si atoms in the M6C carbides is still unclear. Also, we are lack of atomic-scale explanations why Si addition can promote the precipitation process and inhibit the decomposition of M6C carbides. In the present study, we are going to prepare the simplified Ni-17Mo-0.05C-xSi alloys (0<x<1wt.%), and then investigate the quantitative relation between Si content in M6C carbides and the number of M6C carbides in the alloys with different Si content. Combined first-principles calculations and experimental study, we plan to make clear the preferential site occupation of Si atoms in the M6C carbides and reveal the effects of doping Si atoms on the structure and thermodynamic properties of M6C carbides. The mechanism of the stabilization of M6C carbides by Si doping would be explained at the atomic scale. The present study are expected to give a deeper understanding of the role of Si addition in Hastelloy N alloy, and provide the theory basis to develop an optimized alloy with better performances and longer life-time for molten salt reactor in future.

熔盐堆用Hastelloy N合金中的Si含量对组织中M6C碳化物的数量和形态以及合金的性能都有重要的影响。研究表明这些现象与Si元素在M6C碳化物中的掺杂有关。但到目前为止，人们对Si在M6C碳化物中的原子占位，以及Si影响M6C碳化物形成能力和热稳性的物理机制还不清楚。因此，本项目以不同Si含量的Ni-17Mo-0.05C-xSi (0<x<1wt.%)简化合金为研究对象，建立起Si含量，碳化物中Si含量以及碳化物数量这三者之间的关系模型。结合实验和第一性原理计算手段， 研究Si原子在M6C碳化物晶体结构中的占位信息以及Si原子对M6C碳化物的结构和性质的影响，从原子尺度阐明Si元素影响M6C碳化物形成能力和热稳性的物理机制。通过本项目研究，可深入理解Si元素在Hastelloy N合金中的作用，从而为合金中Si元素的优化提供理论基础。

熔盐堆是第四代核能系统优选的的六种堆型之一，代表了未来先进核能的发展方向。在熔盐堆的概念设计中，结构材料处于熔盐腐蚀和辐照交互作用的苛刻环境下，是熔盐堆研发过程中的一个技术难题。橡树岭国家实验室曾专门为熔盐堆研发过一种Hastelloy N合金，该合金能够基本满足熔盐堆在抗熔盐腐蚀和强度方面的要求。但在该系列合金的国产化（GH3535）的过程中，我们发现存在以下两个问题：（1）合金在锻造、轧制或制管等变形加工过程中存在易开裂；（2）合金中大量的颗粒状M6C碳化物链状分布。根据文献调研的结论，优化Si的含量将有望有效降低M6C碳化物的数量，有望从根本上解决上述问题。在这其中，Si掺杂影响合金中M6C结构和性质的物理机制仍然不明确。.基于此，本课题设置了三项主要研究内容：（1）制备不同Si含量合金，测定残余一次M6C碳化物含量、固溶温度和合金Si含量三者之间的定量关系；（2）判断Si元素在碳化物中的占位，测定碳化物晶格常数与碳化物中Si含量的定量关系；（3）从原子尺度解析Si影响M6C碳化物的形成能力和热稳定性的物理机制。.研究表明：合金中Si含量增加，一次M6C共晶碳化物以及链状M6C碳化物的数量在增加，且M6C碳化物中Si含量也在增加。Si在链状碳化物中的掺杂导致其晶格常数的降低。在低Si合金中可以通过固溶热处理有效去除，但在高Si合金中难以消除，且会转化为有害的液化裂纹。通过成分测定发现，Si和Cr倾向于替代M6C碳化物中的Ni原子。第一性原理计算发现，Si占据Ni原子位下的占位能最负，且晶胞的晶格常数随掺杂而降低，与上述实验结果一致。进一步计算结果表明，Si进入Ni原子位之后与近邻其他金属原子形成强键，这种强交互作用是M6C碳化物热稳定性随Si掺杂而提高的主要原因。.本课题研究成果具有很好的应用价值。基于相关数据，申请人团队对GH3535合金的Si含量进行了优化，抑制了加工开裂，改善了组织均匀性，已经应用于10吨级产品的生产。本课题建立的理论对硬质合金、低合金钢中未解的现象提供了理论说明。