基于同步辐射方法的Te对Ni-Cr二元合金晶间脆化机理研究

Thorium-based molten salt reactor is concerned by the international community because of its inherent advantages. It is one of the most serious problems for the structure material (Hastelloy N alloy) in molten salt reactor that tellurium, a fission product, leads to the intergranular embritterment of Hastelloy N alloy. Te leading to intergranular embrittlement of the alloy is related to the content of element Cr in the alloy. Therefore, we are going to to focus on the effect of Te on the interguanular embrittlement of Ni-x%Cr binary alloys in this project. By using some synchrotron radiation-related techniques and some conventional analysis techniques, combined theoretical calculations, we plan to study the evolution of the microstructure and the tensile properties of the Te diffused Ni-x%Cr alloys at high temperatures, and reveal the mechanism of the intergranular embrittlement induced by Te of the Ni-x%Cr alloys, and further figure out a way to solve the interguanular cracking problem of the alloy. This project helps understand better the mechanism by which the alloy cracks interguanularly due to the embrittlement induce by Te, and get some ideas to solve the problem of the embrittlement of this alloys. This study is also helpful for us to develop a new alloy with better performance and longer life-time for molten salt reactor in furture.

熔盐堆服役过程中产生的裂变产物Te会导致Hastell N合金晶间脆化，这是一个亟待解决的棘手问题。国外学者认为这与合金中Cr元素含量有关，但机理并不清楚。因此，本项目以Ni-x%Cr二元合金为基础，采用电镀方法在合金表面涂覆Te，在不同温度和时间下，围绕合金中Cr含量对裂变产物Te诱发合金晶间脆化机制的影响展开研究。运用先进的同步辐射技术结合第一性原理计算，研究Cr对Te在合金中的结合位点、电子密度、配位结构及配位键能影响的机制；运用电子探针结合断口显微分析，研究Cr含量对Te在合金中扩散行为的影响。微观结构研究、介观结构研究、宏观表征研究和量化计算相结合，从结构上对于晶间脆化的机理进行阐明，探索解决合金沿晶界脆化问题。 通过本项目研究，可深入理解Te造成合金晶间脆化的机制，从而为熔盐堆用结构材料抗晶间脆化的改善提供思路，提高材料在熔盐堆中使用寿命，为研发新型高性能合金材料奠定理基础。

熔盐堆是六种第四代核反应堆之一，具有固有安全性、核燃料可持续利用、核废料少、热转化效率高等众多优点，钍增值燃料的熔盐堆技术是解决未来核能燃料短缺的重要途径之一。Hastelloy N合金作为熔盐堆的结构材料，与液态氟盐燃料直接接触。燃料盐中的裂变产物Te导致Hastelloy-N合金晶间脆化，严重影响合金的使用寿命。本论文利用在纯镍及镍铬合金表面电镀Te的方法，系统研究了Te在镍及镍铬合金体系中的、微观组织演化规律、镍碲反应产物种类及稳定性、拉伸性能的变化及Te的扩散行为和沿晶扩散深度，并对Te在镍及镍铬合金中的扩散和脆化机制进行了较深入的讨论。应用量子化学计算方法对Cr对于Te在合金中的结合位点、电子密度、配位结构及配位键能等的影响进行计算，阐明Te渗入晶界后造成晶界脆化的动力学机制以及Cr抑制Te渗透进入镍基合金的动力学机制。. Te在纯镍中主要以空位扩散机制为主。Te在纯镍中的扩散深度随扩散温度的升高而增加，随扩散时间的增长而增加。随着晶界处Te元素浓度的增加，晶界处有可能形成镍碲化合物，从而导致镍基合金出现脆化效应。通过测量Te扩散后导致纯镍的沿晶脆断深度，再根据扩散公式拟合ln⁡(x^2/t)与1/T的线性关系式得出Te在纯镍中沿晶界的扩散激活能Q=153.5kJ/mol，进而得出在中低温时Te在纯镍中沿晶界扩散系数随温度变化的表达式为D=0.83×〖10〗^(-2) exp⁡(-18360/T) cm2/s。. 利用第一性原理研究了Te对于Ni晶界的作用机理，对含有不同浓度Te的情况都做了研究。Te倾向于占据晶界面的替代位置，并且和相邻的Ni形成强的Ni-Te键。由于Te的半径比Ni的要大，从而会引起晶界膨胀。虽然Te和Ni形成的键很强，但是垂直于晶界面的对晶界结合非常重要的Ni-Ni键被削弱了，这就是Te造成晶界脆化的根源。. 对于镍铬二元合金，Cr元素的引入使合金发生晶格畸变，随Cr元素含量的增高，晶面间距逐渐增大。随Cr元素含量的增高，Te在镍基合金中的扩散深度逐渐降低。当合金中Cr含量高于15%时，合金中基本无Te扩散现象发生。