裂变产物碲对镍基合金微观结构及力学性能演化影响的研究

Thorium-based molten salt reactor is one of the promising 4th generation nuclear fission reactor designs. From the materials science point of view, one of the most serious problems for its structural materials, Ni-based superalloy, is the mechanical property decay, such as embrittlement and intergranular cracking, induced by the fission product Te. Unfortunately the mechanism is still unrevealed. Here we propose to study the Te effect on the mechanical properties of Ni-based superalloy. Firstly Te is proposed to be electroplated on the surface of alloy, after annealing at elevated temperature for a certain period of time, Te will diffuse into the alloy. With synchrotron X-ray microfluorescence and electron probe microanalysis, the distribution of Te atoms in the alloy will be mapped, providing a clue to the diffusion mechanism and kinetics. The microstructure of the alloy, before and after Te corrosion, will be studied thoroughly with synchrotron X-ray microdiffraction and electron microscopes, to characterize the phase, grain size, residual stress, and defects distribution at the intragranular scale. Together with ex situ and in situ tensile tests, the mechanical properties such as modulus, hardness, and strength of the alloy will be studied, directly linking to the microstructural evolution. .With the launch of this project, it is expected to better understand the mechanism of Te-induced mechanical property degradation of Ni-based superalloy by understanding the Te diffusion caused alloy microstructural evolution. This study shed light on developing new alloys with better performance and longer service life for molten salt reactor in the future.

熔盐堆服役过程中的裂变产物碲会导致结构材料力学性能退化，如脆化、开裂等，但是目前对这些现象的机理仍不清楚。本项目拟以专门为熔盐堆设计制造的镍基高温合金结构材料为研究对象，采用电镀的方法在合金表面涂覆碲，应用同步辐射微区光谱学结合电子探针的手段，从微纳米尺度研究不同温度下碲在合金中的分布规律及聚集方式，揭示其扩散反应机制和动力学过程；利用同步辐射微束衍射和电子显微技术的高空间分辨率，在亚微米尺度对碲扩散导致的晶粒尺寸、晶粒内部及晶界处的物相、局域残余应力、缺陷密度分布等微观结构的演化进行表征，并通过定量测量合金材料的力学特性及微观结构随外加载荷演化的动态过程，构建“碲在合金中的扩散-合金微观结构的演化-合金的力学性能”三者之间的关系，阐明高温下碲的扩散对合金力学性能的影响及导致材料失效的机制，为改善熔盐堆用结构材料抗碲腐蚀提供思路，提高使用寿命，为研发新型高性能合金材料奠定实验和理论基础。

熔盐堆服役过程中的裂变产物碲会导致结构材料力学性能退化，如脆化、开裂等，但是目前对这些现象的机理仍不清楚。本项目针对这一难题，研究内容主要包括两大部分，一是基于同步辐射X射线的材料表征、测试技术，尤其是同步辐射微束白光劳厄衍射技术的软硬件开发及在材料研究中的应用；二是对核用结构材料，尤其是金属与合金，在近服役状态下的微观组织结构演化及对力学性能的影响研究。.根据研究计划，本项目针对同步辐射微束白光劳厄衍射技术数据量巨大、分析速度极慢、无法实现微观组织结构的实时原位表征的缺点，进行了一系列海量劳厄衍射谱数据快速、自动化深度挖掘的发展，包括：发展了一套数据快速分析方法，从而达到“不标定劳厄衍射谱，但是依然可以实现半定量的微观组织结构可视化分析”的目标，且采用该数据分析方法表征了激光3D打印镍基高温合金定向晶DZ125L中的裂纹、MC碳化物析出相、应力集中的热影响区，同时也讨论了该方法的主要局限，即无法获得准确的晶体取向和应力应变分布；发展了一套海量劳厄衍射谱的快速标定方法，颠覆了传统上逐一独立标定所有衍射谱的策略，创造性地发展了衍射峰位置比对标定方法，使得海量衍射谱的分析效率提高一个数量级以上；开发了基于衍射峰峰型的位错类型和密度定量表征方法。.对镍基高温合金结构材料进行力、热处理，通过标准固溶处理、热轧获得不同的微观组织结构，并定量研究其对碲腐蚀行为的影响；利用晶界工程的思想对镍基高温合金的晶粒尺寸、晶界类型进行调控，定量研究晶粒尺寸、晶界类型对碲腐蚀行为的影响，发现低Σ重位点阵有助于提高镍基高温合金的碲腐蚀抗力；定量表征了高温下Pb-Bi熔盐中铁基Fe-Cr-Al合金块体表面微观组织结构及应力应变的演化，揭示了氧化层的形成机制。.通过以上研究，阐明高温下碲的扩散对合金力学性能的影响及导致材料失效的机制，为改善熔盐堆用结构材料抗碲腐蚀提供思路，提高使用寿命，为研发新型高性能核用合金结构材料奠定实验和理论基础。