Ni-xW-6Cr合金中固溶原子的配位结构研究

Recently, interests in use of Ni-xW-6Cr alloys are increasing for the candidate metallic structural alloys applied in a molten salt reactor operated above 800℃。The solid solute strengthening mechanism of W and Cr in the alloy is not studied sufficiently, retarding further optimizing its chemistry. Because the solid solute strengthening mechanism has a close relationship with the local structures and distribution of solute atoms in the alloy, in this project (1) we plan to probe the local geometry around W and Cr atoms in the Ni-xW-6Cr alloy and their distribution by advanced analysis techniques such as synchrotron radiation XAFS and TEM. Combined with first principle calculations, we also want to analyze the electron densities, local structures and binding energies of W and Cr atoms and the transformation energies between two different structures, to determine the evolution of local structures and distribution of W and Cr atoms with W contents, as well as the dynamics of the local structures at different temperature; (2) we intend to study the effect of local structures on the dislocation configuration, to establish the relationship between local structures and the mechanical properties, by characterizing the nucleation, type and density of dislocations during the tensile process. Through the studies in this project, it will be useful for us to deepen understanding of the strengthening mechanism of W and Cr and optimize the chemistry of the Ni-xW-6Cr alloy.

Ni-xW-6Cr合金作为800℃以上熔盐堆用候选结构材料，其内部W和Cr的固溶强化作用尚不清楚，制约了合金成分的进一步优化。由于固溶强化作用与固溶原子在合金中的配位结构与分布有着直接的关系，本项目拟（1）运用同步辐射XAFS、TEM等先进实验方法，获得Ni-xW-6Cr合金中W、Cr原子的近邻配位结构参数和元素分布，同时结合第一性原理计算分析Ni-xW-6Cr合金中W、Cr原子周围的电子密度、配位键能及结构转化势垒等，明确随着W含量和温度的变化合金中W、Cr原子的配位结构、分布与结构动力学演化；（2）使用TEM原位加载测试，通过表征合金在变形过程中位错形核位置、位错类型和位错密度等参数，研究不同配位结构对位错形态的影响，从而建立配位结构与力学性能的联系。通过本项目研究能够进一步深入理解W、Cr元素对合金强化作用，为优化Ni-xW-6Cr合金成分提供依据。

目前第四代核反应堆-熔盐堆用的金属结构材料为固溶强化高温合金Hastelloy N合金，其许用温度较低，成为制约熔盐堆发展的瓶颈问题之一。Ni-xW-6Cr合金作为800℃以上熔盐堆用候选结构材料，其内部W和Cr的固溶强化作用、与腐蚀相关的原子扩散机制尚不清楚，制约了合金成分的进一步优化。由于固溶强化作用、扩散机制均与固溶原子在合金中的配位结构与分布有着直接的关系，因此在本项目中主要运用了同步辐射XAFS、TEM等先进表征手段，结合第一性原理计算，系统地表征了Ni-xW-6Cr (x=5-30wt.%)合金中W、Cr的配位结构与分布，发现在Ni-xW-6Cr合金中存在一种1-2nm的以W为中心第一近邻为Ni第二近邻有Cr/Ni的二近邻团簇，此团簇结构是Ni-xW-6Cr合金固溶强化的重要来源。在此基础上，研究了Ni-xW-6Cr合金的高温氧化以及Ni-26W-6Cr的高温熔盐腐蚀行为，初步论证了Ni-xW-6Cr合金的最佳W含量范围为25-30wt.%，为进一步优化Ni-xW-6Cr合金提供了理论和实验基础。在确定W含量的基础上，研究了Ni-28W-6Cr合金的焊接裂纹敏感性以及焊接接头的高温力学性能，提出了低Si高C的Ni-xW-6Cr合金焊丝成分方案。. 在研究Ni-xW-6Cr合金的腐蚀机理的过程中，在上海光源硬x射线微聚焦线站（BL15U1）上自主研制一套高精度多维度样品控制平台，解决了同步辐射微束荧光、衍射、吸收谱表征过程中的时间同步性和空间一致性问题，集成表征技术可多参量的表征样品同一局部区域（2×5μm2）的组织成分、相结构以及化学价态等性能数据，将原先同时应用同步辐射微束荧光、衍射和吸收谱三种方法的使用效率提高100%以上，可广泛应用于材料研究领域。