CAS OpenIR  > 中科院上海应用物理研究所2011-2020年
LiF-NaF-KF熔盐中碳化硅与镍基合金之间腐蚀诱导的相互作用研究
薛万冬
Subtype博士
Thesis Advisor周兴泰
2019-06-01
Degree Grantor中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
Place of Conferral中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
KeywordFLiNaK熔盐 高温腐蚀 镍基合金 碳化硅 熔盐堆
Abstract熔盐堆是第四代核反应堆候选堆型之一,采用氟化物熔盐作为冷却剂和燃料载体,选用镍基高温合金作为主要结构材料,具有固有安全性、无水冷却以及小型模块化等优势。碳化硅及其复合材料具有高温强度大、中子吸收截面较小、氚渗透性低等特点,在熔盐堆中有非常好的应用前景,可以被用于反应堆控制棒套管、燃料球的包壳等堆芯组件材料。由于氟化物熔盐具有强腐蚀性,碳化硅材料在氟化物熔盐中的耐腐蚀性能是评估碳化硅在熔盐堆中可用性的关键依据之一。碳化硅在氟化物熔盐中具有良好的耐熔盐本征腐蚀性能,但在熔盐堆运行过程中,氟化物熔盐腐蚀镍基合金会使得熔盐中含有少量金属腐蚀产物,金属腐蚀产物可能会对碳化硅材料产生腐蚀作用;同时,熔盐中碳化硅的腐蚀产物也可能影响金属材料腐蚀。因此,本课题针对碳化硅材料在熔盐堆中的腐蚀问题,研究了熔盐中镍基合金对碳化硅腐蚀的影响,研究了镍基合金腐蚀产物Cr~(3+)对碳化硅腐蚀的影响及影响其机理,并进一步深入研究了碳化硅材料与镍基合金在熔盐中的相互作用。本论文开展的主要研究内容及其结论概述如下:采用静态腐蚀方法,将镍基合金和碳化硅材料共置于一个碳化硅坩埚中进行LiF-NaF-KF(FLiNaK)熔盐腐蚀实验。研究发现,碳化硅与镍基合金在熔盐腐蚀作用下发生了相互作用,最终在镍基合金表面形成镍的硅化物、在碳化硅表面形成了铬的碳化物。由于镍基合金被氟化物熔盐腐蚀主要与Cr元素的扩散溶解有关,合金中Cr元素被氟化物熔盐腐蚀主要形成了铬的氟化物。因此采用了静态腐蚀实验方法,对高纯CVD碳化硅分别在净化后的FLiNaK熔盐中和含Cr~(3+)的FLiNaK熔盐中进行腐蚀实验,研究了熔盐中Cr~(3+)对碳化硅材料腐蚀行为的影响。研究结果表明碳化硅在净化后的FLiNaK盐发生轻微腐蚀,其腐蚀主要为熔盐和碳化硅中氧杂质驱动的均匀腐蚀,腐蚀导致碳化硅材料中硅元素被腐蚀溶解到熔盐中,使碳化硅材料整体表现为腐蚀失重。当熔盐中含有Cr~(3+)离子时,随着熔盐中Cr~(3+)离子浓度升高,碳化硅的腐蚀表现由腐蚀失重逐渐转变为腐蚀增重。研究表明,碳化硅的腐蚀增重主要是由于熔盐中的Cr~(3+)与碳化硅反应生成了腐蚀产物碳化铬(Cr_3C_2,Cr_7C_3)和氟化硅,熔盐中的Si元素浓度增加,实验结果与镍基合金和碳化硅共存于同一个坩埚中的腐蚀结果一致。因此,镍基合金中的铬腐蚀形成的氟化物是镍基合金对碳化硅腐蚀的影响因素之一。实验研究了FLiNaK熔盐环境中镍基合金(GH3535)、316L不锈钢以及镍、铬金属分别与碳化硅材料之间的腐蚀相互影响。研究结果表明,碳化硅与金属材料共存于FLiNaK熔盐中时,两种材料之间会通过各自在熔盐中的腐蚀产物发生相互作用,加剧两种材料的腐蚀。在腐蚀初期,熔盐中的初始杂质(如Fe~(2+/3+)、Ni~(2+)以及水杂质)与镍基合金中的铬元素发生反应,使合金中的铬元素以氟化铬的形式向熔盐中扩散溶解。同时,初始杂质也会与碳化硅材料发生反应,生成可溶性的含硅腐蚀产物,熔盐中硅元素含量升高。溶解在熔盐中的含硅腐蚀产物会进一步与金属材料中的镍、铁、铬元素发生反应,在GH3535合金表面生成腐蚀产物硅化镍(Ni_(31)Si_(12)),在316L不锈钢表面生成腐蚀产物CrFe_8Si,在纯镍金属表面生成腐蚀产物硅化镍(Ni_3Si),在纯铬金属表面生成腐蚀产物硅化铬(Cr_3Si)。对比GH3535合金在有无碳化硅材料的两种腐蚀体系中的腐蚀,研究结果表明,FLiNaK熔盐环境中的碳化硅材料会加速镍基合金的腐蚀,碳化硅在熔盐中的含硅腐蚀产物可以加剧GH3535合金的腐蚀,在合金表面生成硅化镍腐蚀产物,促进合金中的镍元素向合金外表面扩散,增加GH3535合金的晶间腐蚀深度。与此同时,熔盐中的金属腐蚀产物也会加剧碳化硅的腐蚀,溶解在熔盐中的铬元素以铬离子形式与碳化硅材料发生反应,生成固态腐蚀产物碳化铬,进一步加剧碳化硅中硅元素向熔盐和气氛中溶解。
Pages123
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/31264
Collection中科院上海应用物理研究所2011-2020年
Recommended Citation
GB/T 7714
薛万冬. LiF-NaF-KF熔盐中碳化硅与镍基合金之间腐蚀诱导的相互作用研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所),2019.
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