高温服役环境下熔盐/金属界面传递现象与腐蚀行为

To overcome the key challenges of corrosion with molten salts during high-temperature heat transfer and thermal energy storage, we propose to carry out the fundamental research on the three key scientific issues for high-efficiency and safe-operation solar concentrating power system. The proposed research includes: 1)the structure/ interface effect and heat-mass cooperative transportation with molten salts, 2)formation mechanism and control law for oxide film on the metal matrix during corrosion, 3) Evolution of microstructure of oxide film and metal loop function in extreme environment..Based on the scientific issues on corrosion and heat transfer with molten salts, we intend to 1) develop the structure- transport phenomena relationships between the interface /structure of molten salt/metal matrix by using molecular simulation and advanced measurements, establish the constitutive equation and the coupling mechanism of transportation and reaction in various molten salts, 2)investigate the corrosion damage on the surface of a metal in an aggressive environment by a simple cellular automaton(CA) model, understand principal regulation of metal base and molten salt interaction with an electrochemical impedance technique, and find the coupling mechanism of thermochemistry corrosion and electrochemistry corrosion under extreme conditions, 3) reveal the evolution of the microstructure of oxide film and metallic circuit function under long-term cycling heat load and stress, establish the evaluation system of the reliability and durability performance of metallic circuits. The proposed work will provide new theories and technologies based on synergistic effects of coupling transportation and reaction, corrosion mechanism and corrosion resistance method from multi-scale aspects.

本项目以提高高温熔盐储存和能量转换过程金属回路抗腐蚀性为目标，拟对高温熔盐系统腐蚀行为及抗腐蚀机理开展系统研究，并以此提炼出熔盐/金属界面效应/结构效应与腐蚀行为、非保护性氧化膜微结构的形成规律与控制理论、极端服役环境下氧化膜微结构与金属回路使用性能的演变三个关键科学性问题。针对在高温、涡流冲刷、酸碱腐蚀等极端服役条件下，熔盐微结构变化、结构效应与界面效应、离子溶液迁移等所引起的金属回路熔盐高温腐蚀性问题，开展深入的实验分析与分子模拟研究。揭示腐蚀过程反应与熔盐/金属界面结构演变及微观传递过程的相互影响规律及耦合作用机制。探究高温腐蚀过程动力学和热力学特征，以及电化学和热腐蚀之间相互耦合作用机制。深刻认识金属表面氧化膜的微结构演化机制及其对腐蚀性能的影响规律。建立金属回路的使用性能和可靠性评价体系，从而实现熔盐高效蓄热-传热技术发展及工业化应用。

本项目以提高高温熔盐储存和能量转换过程金属回路抗腐蚀性为目标，对高温熔盐系统腐蚀行为及抗腐蚀机理开展系统研究，包括熔盐/金属界面效应/结构效应与腐蚀行为、非保护性氧化膜微结构的形成规律与控制理论、极端服役环境下氧化膜微结构与金属回路使用性能的演变三个主要研究内容。项目完成了计划任务书规定的研究任务，达到了预期的研究目标。取得如下成果：.(1)采用分子动力学模拟计算了熔盐从低共熔点至极限温度范围内熔盐内部输运性质，获得了液态熔盐微观结构及其微观结构演变规律；探悉了金属/熔盐结构形成机制、稳定性条件、结构形态与突变演化规律及其对传递的影响规律，揭示了金属—熔盐体系中微观粒子相互作用规律；.(2) 通过长期腐蚀实验，研究了不同合金在氯化物和硝酸熔盐中的腐蚀行为。揭示了不同金属质量和尺寸在高温服役环境下随腐蚀时间的变化规律，确定了金属在熔盐中的腐蚀速率。通过监测不同浸没时间金属的质量损失，计算了金属的腐蚀动力曲线，获得了熔盐高温腐蚀过程动力学特征。采用高温热化学反应热力学计算，揭示了高温腐蚀过程的金属-熔盐热化学反应路径与熔盐/金属界面结构演变及微观传递过程的相互影响规律及耦合作用机制； .(3) 基于合金在熔融盐下腐蚀过程和机理的分析，利用元胞自动机方法建立物理模型，构建时空离散的网络动力学系统，开展了动态腐蚀过程研究。采用随机行走规则模拟了微观粒子迁移扩散过程，同时利用反应微观动力学描述高温热化学反应。模拟结果很好的再现了熔盐腐蚀动态过程，并建立了金属回路的使用性能和可靠性评价体系。.本项目截止目前为止，共发表论文25篇，其中SCI/EI双检收录12篇，EI单检收录10篇；申请国家发明专利3件；培养博/硕士研究生3名。