Ni基合金焊接件在氟化物熔盐中腐蚀行为及机理研究
朱亚胜
学位类型硕士
导师周兴泰
2016
学位授予单位中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)
关键词熔盐堆 氟化物熔盐 熔盐腐蚀 镍基合金 焊接件
摘要熔盐堆(Molten Salt Reactor,MSR)是第四代反应堆国际论坛推荐的具有第四代核能技术特点的六大堆型之一。因熔盐堆具有优异的本征安全性、核燃料可持续利用、高效的热转化能力、核废物最小化等诸多优点而受到广泛关注。熔盐堆为一种液态燃料堆,并以氟化盐为冷却剂以及燃料的载体。高温熔融状态下的氟化盐具有极强的腐蚀性,因此,在熔盐堆中,结构材料的腐蚀是熔盐堆面临的一个主要问题。压水堆的相关运行经验表明,焊接件容易发生应力腐蚀开裂行为,是结构材料中的薄弱环节。而在熔盐堆中,管道回路、热交换器、反应堆容器和堆芯容器需要用到大量的焊接件。因此,研究熔盐环境中焊接件的腐蚀行为具有重要意义。镍基合金具有良好的耐高温、耐熔盐腐蚀性能,Hastelloy N合金是橡树岭国家实验室为克服熔盐腐蚀专门开发的一种镍基合金,。GH3535合金是基于钍基熔盐核能系统研究而开发的国产合金,用于替代进口Hastelloy N合金。两者具有相似的化学成分和耐熔盐腐蚀性能。合金在熔盐中腐蚀过程主要是活性元素的溶解过程,Cr元素是常见合金元素中活性最强的元素。因此,镍基合金的熔盐腐蚀,本质是受Cr元素在合金内部向表面扩散控制的。合金在熔盐中的主要腐蚀驱动力来源于熔盐中的杂质离子,杂质与合金元素发生反应,导致初期的快速腐蚀。虽然已经开展了大量的研究,掌握了合金在熔盐中的腐蚀行为及机理。但关于合金焊接件在熔盐中的腐蚀行为,仅有非常少量的报告,缺乏对焊缝区和母材区腐蚀行为的针对性研究,对于焊接结构对腐蚀行为的影响机理也尚不明确。本论文利用静态腐蚀浸泡的方法,对GH3535合金焊接件在FLiNaK熔盐中的腐蚀行为开展了系统的研究工作,研究了GH3535合金焊接件在不同温度下的腐蚀行为-温度关系,阐明了温度对焊缝区和母材区腐蚀行为的影响;向FLiNaK熔盐中添加Ni~(2+)和SO_4~(2-)根离子杂质,研究随杂质含量增加,焊缝区和母材区的腐蚀行为演变。采用一系列分析手段,对温度、杂质离子影响焊接件腐蚀行为的机理进行了深入的分析讨论,主要结果和结论如下:腐蚀温度由550°C增加至850°C,GH3535合金焊接件腐蚀随温度增高而加速,腐蚀过程为活性元素Cr的选择溶解,在合金表面留下均匀的腐蚀孔洞层。焊缝区和母材区具有相同的腐蚀机制和腐蚀形貌,当腐蚀速率达到稳定时,GH3535合金焊接件的焊缝区和母材区的腐蚀没有表现出很大差异,Cr元素的贫化深度相差不大。焊缝和母材微观组织结构的差异,并未对Cr元素的扩散产生影响。随着腐蚀温度的升高,熔盐中的杂质Fe离子会和合金中的Cr发生置换反应,并沉积在合金表面。向FLiNaK熔盐中添加不同类型的杂质离子后,腐蚀实验表明,GH3535合金焊接件在含有杂质的FLiNaK熔盐中,腐蚀程度加剧。添加Na2SO4引入SO_4~(2-)离子后,随着离子含量的增加,焊接件的腐蚀失重和腐蚀深度都呈线性增加。添加NiF2引入Ni~(2+)离子后,当Ni~(2+)离子含量较低时,焊接件的腐蚀表现为加速,当Ni~(2+)离子含量增加至500 ppm和1000 ppm时,试样表面出现了Ni的沉积,沉积膜在一定程度上对焊接件起保护作用,阻碍Cr元素的溶解析出,从而使腐蚀失重下降。向熔盐中添加SO_4~(2-)和Ni~(2+)离子的实验表明,不同的离子类型和离子含量下,焊接件的焊缝区和母材区的腐蚀机制相同,腐蚀行为相似,进一步验证了GH3535合金同种金属的焊接处理,并未造成扩散控制的腐蚀的加剧。通过该研究,有利于掌握杂质离子对合金腐蚀行为的影响规律,对理解合金的熔盐腐蚀机制、以及为严格控制熔盐质量提供参考依据,具有重要意义。
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/26114
专题中科院上海应用物理研究所2011-2018年
作者单位中国科学院上海应用物理研究所
推荐引用方式
GB/T 7714
朱亚胜. Ni基合金焊接件在氟化物熔盐中腐蚀行为及机理研究[D]. 中国科学院研究生院(上海应用物理研究所),2016.
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