S、P的晶界非平衡偏聚对Ni-16Mo-7Cr系镍基高温合金中温低塑性机理的影响研究

Ni-16Mo-7Cr base superalloy plays an important role in molten salt reactor applications. However, it shows ductility loss at intermediate temperature (650℃). Sufficient evidences proved that this phenomenon is related to non-equilibrium grain boundary segregation of sulfur and phosphorus. But so far, the characteristics of sulfur and phosphorus segregation are still unclear in Ni-16Mo-7Cr base superalloy. Also, we are lack of the correlation between non-equilibrium grain boundary segregation of sulfur and phosphorus and intermediate temperature embrittlement of Ni-16Mo-7Cr base superalloy. In the present study, we are going to investigate the non-equilibrium segregation level of sulfur and phosphorus with different temperature and aging time by TOF-SIMS and AES. Combined with first-principles calculations and high temperature tensile tests, we plan to make clear the grain boundary embrittlement mechanism by sulfur and phosphorus, the relation between the role of sulfur and phosphorus segregation and intermediate temperature embrittlement, and reveal the ductility loss mechanism of the alloy. Through this project research, the role of non-equilibrium segregation of sulfur and phosphorus would be deeper understood in Ni-16Mo-7Cr base alloy. That will provide the theory basis and instructive significance to develop an optimized alloy with better ductility for molten salt reactor in future.

熔盐堆用Ni-16Mo-7Cr系镍基高温合金具有明显的中温低塑性现象，在650℃左右延伸率和断面收缩率都呈现最低值。研究表明此现象与Ni基合金中的杂质元素S、P在晶界的非平衡偏聚有关。但到目前为止，S、P在Ni-16Mo-7Cr系合金中的偏聚特性以及与合金中温低塑性机理的关系还不清楚。因此，本项目以Ni-16Mo-7Cr系镍基合金为研究对象，利用飞行时间-二次离子质谱仪和俄歇能谱仪系统研究S、P在合金晶界的非平衡偏聚特征，建立起晶界杂质元素偏聚浓度峰值与温度和保温时间的关系模型；结合第一性原理计算和高温拉伸实验手段，阐明S、P造成晶界脆化的动力学机制，明确S、P的晶界非平衡偏聚与中温低塑性的关系，提出该合金的中温低塑性机理。通过本项目研究，可深入理解熔盐堆用镍基合金中的中温低塑性现象以及S、P元素的作用机制，从而为合金低塑性的改善提供理论基础和工程指导。

熔盐堆用Ni-16Mo-7Cr系镍基高温合金具有明显的中温低塑性现象，在650℃左右延伸率和断面收缩率都呈现最低值，研究表明此现象与Ni基合金中的杂质元素S、P在晶界的非平衡偏聚有关。.本项目以Ni-16Mo-7Cr系镍基合金为研究对象，系统研究了S、P在不同温度条件下的晶界偏聚情况，确定S、P偏聚浓度峰值与温度的关系，获得了S、P在晶界中的浓度分布，证实了S、P杂质元素在该合金晶界的非平衡偏聚现象，数据表明，当合金在650℃保温1h后，S、P在晶界的含量处于最大值；.通过高温拉伸实验，明确了合金的塑性与温度和保温时间的变化趋势，在室温至800℃范围内，650℃时合金塑性最低，这与S、P在晶界的最大偏聚浓度相对应；经过700℃高温时效，发现时效1000h左右塑性达到最大值，时效20000h后塑性又恢复到650℃左右的中温低塑性水平，经过组织分析表明合金的塑性增加与适当尺寸和数量的晶界碳化物析出有关；.同时还研究了合金拉伸性能随温度及时效时间的变化，以及第二相的析出行为。研究表明，合金的拉伸性能在700℃时效20000h内保持稳定，没有降低趋势，为合金的工程应用提供重要数据；首次证明了Ni-16Mo-7Cr系镍基合金中一次碳化物M6C向M12C原位转变的现象，该合金在750℃时效3000h，以及800℃时效1000h后，凝固过程中析出的大尺寸M6C原位转变为M12C，导致合金晶界及内部大量析出M12C型二次碳化物，合金拉伸性能也显著降低，这为合金在事故温度下的性能预测提供重要数据支持；.第一性原理计算表明P原子浓度较低的时候，P会和相邻的Ni原子形成很强的Ni-P键，强化晶界；晶界处P原子浓度增加时，相邻P原子之间出现排斥力，在晶界处形成脆性层而脆化晶界。.通过本项目研究，可深入理解熔盐堆用镍基合金中的中温低塑性现象以及S、P元素的作用机制，为合金低塑性的改善提供理论基础和工程指导。