Nb添加对合金碲腐蚀和碲脆行为的影响
文献类型：学位论文
| 作者 | 王伟 |
| 答辩日期 | 2020-04-01 |
| 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) |
| 导师 | 李志军 |
| 关键词 | GH3535合金 Ni-Nb合金 Nb添加 碲脆 羟基 腐蚀产物 |
| 英文摘要 | 作为第四代先进核能系统推荐堆型之一,熔盐堆具有高热效率、固有安全性、钍资源利用性和模块化设计便利性等诸多优点。然而,早期熔盐实验堆的研究发现在服役过程中产生的裂变产物Te会扩散进入Hastelloy N合金(下简称N合金)晶界导致开裂现象(碲脆),严重威胁构件尤其是薄壁件的服役安全。为了克服碲脆问题,相关研究者提出在N合金中添加Nb成分的优化方案,起到了显著的改善效果。已有的研究表明合金中元素有多种路径可以起到改善碲(Te)脆作用,包括:(1)形成保护层(碲化物或氧化物),(2)形成Te捕获的碳化物,(3)抑制晶界碲扩散。Nb添加是否通过上述某一种路径发挥改善机制有待研究。进一步地,在机制研究的基础上,Ni-Nb合金是否具有作为一种保护性覆层的应用潜力也有待确认。为此,本文研究了Nb改良N合金和Ni-Nb合金在近工况环境下的Te腐蚀行为。在真空环境下,将300℃的Te块蒸镀在700℃的不同Nb含量(0、1、2、3、4 wt.%)的Ni-Nb拉伸试样表面和不同Nb含量(0、1、2、4wt.%)的GH3535合金表面(本论文中涉及的合金成分为质量百分比),然后在高羟基跟低羟基管中腐蚀250 h,通过对Te腐蚀后样品表面截面腐蚀产物的产生及变化、Te的沿晶分布情况以及Te致沿晶裂纹进行详细地表征分析,阐明Nb添加改善合金抗碲脆性能的作用机制。本文的主要研究结果如下:1.Nb含量对合金组织的影响:(1)在Ni-Nb合金中,固溶态样品随着Nb含量的增加,合金晶界处富Nb析出物产生并长大。时效态样品随着Nb含量增加,晶界同样会出现富Nb析出物。(2)在Nb改GH3535合金中,随着Nb含量增加,固溶态合金的晶粒尺寸逐渐长大,并出现少量大晶粒与大量小晶粒交替排列的现象,由于4%Nb合金晶界大量的NbC析出物制约了晶粒的长大,出现很多小晶粒;在时效态Nb改GH3535中,0%Nb合金在基体和晶界处出现颗粒状和薄棒状的M_2C碳化物。在1%Nb合金中,针状MC碳化物沿着基体的{1 0 0}平面生长,含Nb的颗粒状M_2C碳化物在晶界处形成。在4%Nb合金中,粗大的棒状NbC碳化物沿基体的{1 1 1}面生长。随着合金中Nb含量的增加,Nb元素在MC或NbC碳化物的占比也随之增加。2.Nb含量对合金表面腐蚀产物的影响:(1)Ni-Nb合金在低羟基管跟高羟基管中被Te腐蚀后表面都形成了一层连续的Ni_3Te_2反应层;当Nb含量增加到1%时,反应层上出现少量NbO_2。不同的是,低羟基管中反应层厚度随着Nb含量增加而增加,同时在反应层内逐渐出现NbNi_(2.38)Te_3长棒状析出物;高羟基管中,样品表面的Ni_3Te_2反应层随着Nb含量增加逐渐消失,靠近表面的基体内出现大量NbO_2。(2)GH3535合金在低羟基管中表面生成连续的Ni_3Te_2反应层,随着Nb含量的增加,反应层变薄并最终消失,同时反应层内出现长棒状Mo_2C,反应层上出现很多小颗状Cr_2O_3。高羟基管中样品表面几乎没有Ni_3Te_2产生,表面均匀覆盖着一层Cr_2O_3。羟基含量严重影响表面Te腐蚀。3.Nb含量对Te元素的沿晶扩散分布的影响:(1)Ni-Nb合金Te沿晶界渗透的深度随着Nb含量的增加,呈现减小的趋势,同时Nb在晶界的偏析也越多,说明Nb的加入能够有效地抵抗Te的沿晶扩散,而且Nb含量越多效果越好。(2)GH3535合金中Te腐蚀后的沿晶扩散深度随着Nb含量的增加,出现减小的趋势,1%Nb的Te沿晶扩散深度最小。由于NbC的析出导致很多细晶产生,当Nb含量超过2%时,样品晶界的Te腐蚀深度很浅。4.Nb含量对合金Te致沿晶裂纹的影响:(1)对于Ni-Nb合金不管高羟基管中还是低羟基管中样品,随着Nb含量增加,平均裂纹深度变小,也就是说羟基含量对碲脆影响不大。只有4%Nb试样在高氧分压的实验条件下,会出现更浅的裂纹深度和更多的裂纹密度,这与NbO_2的出现有关。(2)在Nb改GH3535合金中,发现氧化会严重影响Te的沿晶腐蚀深度。低羟基管中,随着Nb含量的增加,试样的平均裂纹深度随着Nb含量的增加而减小,超过2%Nb含量试样裂纹密度剧增,K值计算后1%Nb抗碲腐蚀性能最好。综上所述,无论是含Nb的GH3535合金还是Ni-Nb合金,添加Nb含量至1wt.%,就能够起到显著的抗碲脆效果。由于高Nb的GH3535合金中出现的细晶组织,使其在裂纹统计上出现随Nb含量增加的V型趋势。两种合金表面都未能形成致密保护性产物层,即便是NbO_2也只是在最高Nb合金中起到辅助作用,因此Nb的改善性效果与保护性产物层的形成无关。其次Ni-Nb合金同样体现出改善趋势,因此Nb的改善性效果与碳化物分布也无关。Nb添加主要通过抑制碲扩散发挥作用。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 92 |
| 源URL | [http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/32526]  |
| 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 |
| 作者单位 | 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 王伟. Nb添加对合金碲腐蚀和碲脆行为的影响[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所). 2020. |
入库方式： OAI收割
来源：上海应用物理研究所
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