合金氧化物在熔盐高温应用环境中的行为
文献类型：学位论文
| 作者 | 高蓉 |
| 答辩日期 | 2019-06-01 |
| 文献子类 | 硕士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) |
| 授予地点 | 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) |
| 导师 | 周兴泰 |
| 关键词 | 镍基高温合金 高温氧化 熔融氯盐腐蚀 同步辐射 |
| 英文摘要 | 熔盐的分解温度较高且热稳定性良好,因此常被考虑用作先进高温热应用中的热传导流体(HTFs)和热能储存(TES)介质,可广泛应用于第四代核反应堆-熔盐堆以及先进的太阳能集热(CSP)系统。然而,高温熔盐环境对合金结构材料提出了极为苛刻的要求,因为合金会同时接触高温熔盐和高温空气,所以需要同时具有良好的耐熔盐腐蚀性能和耐高温氧化性能。在高温环境中金属材料的耐腐蚀性(主要是耐氧化性),通常是通过在合金表面形成致密的氧化物层(Cr_2O_3、Al_2O_3)实现的;而在高温熔盐中,Cr、Al等能够形成致密氧化物的金属元素极易被熔盐腐蚀,并且大部分氧化物在熔盐中不稳定,属于少数例外的是致密的Al_2O_3能够抵御高温氯盐的腐蚀。因此如何平衡合金中各元素的含量使其既能够形成致密的氧化物层抵御高温空气腐蚀,同时具有良好的耐高温熔盐腐蚀性能,成为了高温熔盐应用急需解决的一项重要课题。本论文研究了两种有望在800℃以上高温熔盐环境中使用的合金体系在高温空气以及高温熔融氯盐中的行为:(1)不同W含量对Ni-x(5-30 wt.%)W-6Cr合金在850℃空气中耐氧化性能的影响;(2)Ni-xAl-Cr(Ni-0、1、4、6 wt.%Al-6Cr和Ni-0、1、2、3 wt.%Al-20Cr)合金在800℃氯盐中自发生成表面氧化物及其对合金耐高温氯盐腐蚀性能的影响。(1)Ni-26W-6Cr合金被认为能够在800℃以上高温熔盐环境中使用,其高温力学性能和耐高温氟盐腐蚀性能均优于熔盐堆用的Hastelloy N合金(最高许用温度为704℃)。然而,传统氧化理论认为高W低Cr的元素含量会减弱合金的耐高温氧化性能,并且目前对于W含量超过20 wt.%的低Cr合金的高温氧化行为没有相关文献报道。本文采用同步辐射μ-XRD、μ-XRF和μ-XANES,结合SEM-EDS、XRD、EPMA等方法,系统表征了Ni-(5-30 wt.%)W-6Cr合金在850~oC空气中氧化100 h后表面形成的氧化物分布,发现Ni-25W-6Cr合金具有最佳的耐高温氧化性能,在W含量低于25 wt.%时,Ni-xW-6Cr合金的耐氧化性能随W含量增加而增强是因为W引起的第三组元效应导致O_2的内扩散减弱从而促进Cr的外氧化形成致密的Cr_2O_3及其衍生物NiCr_2O_4;而过量的W(30 wt.%)会竞争消耗Cr_2O_3从而抑制NiCr_2O_4形成,同时形成的CrWO_4在氧化层中为氧气和金属离子的扩散创造通道。因此,从耐高温氧化性能方面考虑,Ni-xW-6Cr合金中的最佳W含量所处范围应为25-30 wt.%。(2)氯盐具有极强的吸湿性,合金在熔融氯盐中的腐蚀主要是氯盐中水氧杂质(H_2O、O_2、OH~-、H~+)导致的,其腐蚀机制与合金在氟盐中的腐蚀机制非常相似。但与氟盐相比,氯盐的助熔作用没有氟盐那么强,在熔融氯盐中可以有氧化物的存在,例如Al_2O_3。因此,存在合金利用熔融氯盐中水氧杂质原位自发形成钝化膜从而抑制熔盐腐蚀的可能。本文进行了两种Ni-xAl-Cr体系(Ni-0、1、4、6 wt.%Al-6Cr和Ni-0、1、2、3 wt.%Al-20Cr)合金在800℃熔融氯盐中浸没400 h的腐蚀实验,采用SEM-EDS、XRD、EPMA等手段对各合金腐蚀后表面形成的腐蚀产物和元素分布进行了表征,结果发现:Ni-6Al-6Cr合金表面局部形成的致密Al_2O_3覆盖层能够有效阻止Cr向外扩散,而零散分布的Al_2O_3无法阻止Cr的流失;Al_2O_3并非在腐蚀最初始阶段形成,合金表面的Cr、Al会先流失,形成富Ni层,而这层Ni无法阻挡O的进入,因此在Ni层下面形成了一层内氧化的Al_2O_3层;Ni-2Al-20Cr合金在局部表面原位自发形成了由Al、Mg、O三种元素构成的连续氧化层,该氧化层能够抑制Fe(盐中杂质)渗透进合金但无法阻止Cr流失,Ni-(1、2、3 wt.%)Al-20Cr合金腐蚀过程中无致密Al_2O_3层生成的证据。认为Ni-xAl-Cr合金在高温熔融氯盐中利用其中水氧杂质原位自发形成连续致密Al_2O_3层的条件苛刻,因此该合金不做任何预处理(预氧化等)在高温氯盐中难以通过水氧杂质原位自发形成钝化膜抑制腐蚀。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 80 |
| 源URL | [http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/31195]  |
| 专题 | 上海应用物理研究所_中科院上海应用物理研究所2011-2017年 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 高蓉. 合金氧化物在熔盐高温应用环境中的行为[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. |
入库方式： OAI收割
来源：上海应用物理研究所
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