熔盐核能系统模拟环境下Y改性Ni-Mo-Cr-Fe-C合金的损伤机理研究

Molten salt nuclear energy systems are operated in the harsh environment of high temperature and strong fluoride salt corrosion. Among them, the primary loop and reactor vessel of molten salt reactors are additionally exposed to a strong neutron irradiation. Hastelloy-N alloy is one of the candidate materials closest to the service requirements of the molten salt nuclear energy systems. However, the existing performance of Hastelloy-N alloy does not meet higher temperature requirements of next-generation nuclear energy systems. This problem is expected to be solved by rare earth microalloying modification. We will utilize synchrotron radiation analysis and testing techniques, small angle neutron scattering and transmission electron microscopy and positron annihilation spectroscopy and other characterization methods, combining fine details of microstructure analysis and macroscopic statistics of neutron scattering, to in-depth study the effects of rare earth elements Y on molten salt corrosion resistance, high temperature oxidation resistance, resistance to irradiation damage and embrittlement, and high temperature mechanical properties of the original and Ti / Nb modified Hastelloy-N alloys, and reveal the microstructure evolution and damage mechanisms of rare earth modified Hastelloy-N alloys in the service environment of the molten salt nuclear energy systems. It is desirable to synthesize a new series of nickel alloys containing rare earths with independent intellectual property rights in a bench scale, and lay a solid foundation for the preparation of nickel-based alloys which are suitable for applying to a new generation of molten salt reactors, cooling system of advanced high temperature reactor and molten salt heat transfer systems of reactor -hydrogen plants.

熔盐核能系统工作在高温强氟盐腐蚀的恶劣环境下，其中熔盐堆的第一回路和反应容器还承受着较强的中子辐照。哈氏N合金(Ni-Mo-Cr-Fe-C)是最接近熔盐核能系统服役要求的候选材料之一，然而其现有性能难以满足新一代核能系统更高的工作温度要求。通过稀土微合金化改性有望解决这个难题。本项目利用同步辐射分析和测试技术，联合小角中子散射、透射电镜和正电子湮灭谱学等表征手段，将微观组织分析的精细局部和中子散射的统计宏观相结合，深入研究具有我国资源优势的稀土元素Y对原始的和经Ti/Nb改性的哈氏N合金的耐熔盐腐蚀、抗高温氧化、抗辐照损伤和脆化以及高温力学性能的影响和作用机制，揭示稀土改性哈氏N合金在熔盐核能系统服役环境中的微观组织演化规律及损伤机理，在实验室规模合成有自主知识产权的新型含稀土镍合金，为在新一代熔盐堆、先进高温堆冷却系统和反应堆-制氢工厂熔盐传热系统中有应用前景的镍合金制备奠定坚实的基础。

熔盐核能系统工作在高温强氟盐腐蚀的恶劣环境下，其中熔盐堆的第一回路和反应容器还承受着较强的中子辐照。Ni-16Mo-7Cr-4Fe合金是最接近熔盐核能系统服役要求的候选材料之一，然而其现有性能难以满足新一代核能系统更高的工作温度要求。通过稀土微合金化改性能够进一步提高合金的综合性能。本项目利用同步辐射分析和测试技术，联合扫描电镜、透射电镜、X射线光电子能谱和正电子湮灭谱学等表征手段，深入研究具有我国资源优势的稀土元素钇对Ni-16Mo-7Cr-4Fe合金的耐熔盐腐蚀、抗高温氧化、抗辐照损伤和高温力学性能的影响和作用机制。研究发现钇微合金化同时改善了Ni-16Mo-7Cr-4Fe合金的力学性能、抗高温氧化/熔盐腐蚀性能，特别是促进了合金的选择性氧化和显著提高了其抗高温氧化性能。只需加入0.05 wt%的钇就能使合金的稳态阶段氧化速率常数降低了30倍，合金的耐熔盐腐蚀性能提高了20%，合金的硬度提高了30%，在850 ºC下的瞬时拉伸屈服强度提高了20%，且对合金塑性没有不利影响。在合金的氧化动力学研究中获取了其氧化速率常数、氧化激活能等重要参数，证实了合金的氧化动力学分段遵循抛物线规律。对合金的内部组织和表面膜层结构的分析结果表明钇在Ni-16Mo-7Cr-4Fe合金中能否获得高固溶度决定了其表层能否形成完整致密的钇富集层，而钇富集层是否完整致密则是改善合金抗氧化/腐蚀性能的关键所在。研究结果打破了高温氟化物熔盐强腐蚀环境中，合金不能形成保护性致密钝化层的旧识，为改善镍合金的抗熔盐腐蚀性能开辟了微合金化致生保护性致密膜层的途径。在实验室合成了具有自主知识产权的新型含稀土镍合金，项目成果对理解钇对低铬含量的复杂镍基高温合金的改性机理以及提高核能镍基高温合金安全服役的临界温度具有重要意义。