Si对低Cr镍基高温合金氧化性能的影响机理

Thorium-based molten salt reactor is one of the most promising IV generation reactors because of its inherent advantages. Oxidation resistance is one of the most important properties for the structure material (Hastelloy N alloy) in molten salt reactor, which will influence on the corrosion behaviour and material lifetime. Domestic and foreign scholars think that Si is an important antioxidant element, but the influence mechanism of Si on low Cr nickel-based alloy is not clear. Therefore, this project selects a simplified Ni -16% Mo- 7% Cr - 5% Fe - xSi model alloy as the research system. Based on constant temperature oxidation, using some synchrotron radiation STXM and in situ XRD techniques combined with TEM, SEM, EPMA, XRD et al some conventional analysis techniques, we plan to study the morphology evolution of the oxidation scale and element distribution characterization in oxidation films at elevated temperatures. Furthermore, we try to discuss the oxidation process and their performance of oxide layer, and further figure out effect of Si element on low Cr nickel-based alloy oxidation resistance. This project will help to understand better the high temperature oxidation mechanism of Ni-based superalloy with low Cr, and get some ideas to improve the high temperature oxidation resistance of this alloy. This study is also helpful for us to develop a new alloy with better performance and longer life-time for molten salt reactor in the future.

低Cr镍基高温合金在加工制备及服役过程中会产生高温氧化问题，添加微量元素是改善合金氧化性能的一种有效手段。Si是一种重要的抗氧化元素，但对低Cr镍基合金的影响机理尚不清楚。本项目采用Ni-16%Mo-7%Cr-5%Fe-xSi模型合金作为研究体系，通过恒温氧化增重法，研究低Cr镍基高温合金随不同温度、不同时间的高温氧化行为。运用电子探针结合TEM、SEM、XRD研究氧化层形貌、结构、元素分布特征及Cr、Si等元素在合金氧化层中的扩散行为。借助先进的同步辐射STXM和原位XRD技术，研究合金氧化层结构演变、残余应力、元素价态及分布规律，探讨氧化产物的形成过程，揭示第三组元Si元素对低Cr镍基合金氧化行为的影响机理。通过本项目研究，可深入理解低Cr镍基高温合金氧化过程及氧化机理，为熔盐堆用结构材料抗氧化性能的改善提供思路，并探索提升该类合金抗氧化性能的可行途径。

在低Cr镍基高温合金中添加微量元素是改善合金高温氧化性能的一种有效途径。Si是提高合金高温氧化性能的重要元素，高温氧化时起到第三组元作用，促进合金外表面Cr2O3的形成。本项目利用磁控钨极电弧炉制备了Ni-16Mo-7Cr-4Fe-xSi（wt.%）模型合金。采用不连续称重法，研究了不同Si含量的模型合金在700℃、850℃高温下的恒温氧化行为以及850℃高温下的循环氧化行为。通过记录不同Si含量的合金氧化增重数据，绘制氧化动力学曲线。利用SEM、EDS、XRD和EPMA对氧化试样的表面及截面形貌、物相组成进行了分析。从微观尺度探讨合金化对Cr2O3 膜形成与演化过程的影响、揭示Si 对保护性氧化膜Cr2O3 的形成影响机制，探索提高合金材料抗氧化性能的可行途径。.研究结果表明：添加Si元素能显著提高GH3535合金的抗氧化性能。随着Si含量的升高，合金氧化膜厚度减小，表面氧化产物细化且均为尖晶石状氧化物。合金氧化100h后，氧化膜均出现分层现象，最外层为NiO、NiFe2O4等复合氧化物，中间层为Cr2O3、MoO2等氧化物。0.5Si和1Si含量的合金在氧化层与基体界面生成了连续致密的SiO2氧化层。Si元素可在表面氧化层与基体界面之间形成SiO2氧化物，连续的SiO2层位于Cr2O3氧化层之下，降低了基体元素在氧化层中的扩散速率，抑制了Fe、Mo等氧化物的产生，有效促进了Cr2O3氧化层的形成，提高了GH3535合金的抗氧化能。.研究了不同Si含量的GH3535合金在850℃的循环氧化行为。发现Si的添加显著提高了该合金的循环氧化性能，循环氧化膜组成与恒温氧化结果基本一致。随着Si含量的增加，合金的氧化增重逐渐减小。循环氧化过程中0.5Si和1Si含量的合金没有出现明显的氧化皮剥落现象。添加0~0.2%Si含量的GH3535合金表面氧化层不平整，未剥落区域为连续致密的尖晶石状氧化物，由NiO、NiFe2O4组成。剥落区域为疏松状的氧化表面，主要含有MoO2以及Mo的混合氧化产物。.通过本项目研究，可深入理解低Cr 镍基高温合金氧化过程及氧化机理，为熔盐堆用结构材料抗氧化性能的改善提供思路，为新型、高性能合金材料的研发奠定基础。