Al元素改善Ni-Mo-Cr高温合金抗Te脆性能的机理研究

Molten salt reactor(MSR) is one of the promising 4th generation nuclear fission reactor. One of the most serious problems for Hastelloy N structural material in MSR is the intergranular embrittlement induced by the fission product of Te. But so far, the existing studies have shown that Al element could improve the performance of intergranular embrittlement of Ni-Mo-Cr alloy caused by Te, but the mechanism is still unrevealed. In this study, we are going to reveal the effect of Al on intergranular embrittlement of Ni-Mo-Cr alloy (GH3535 alloy) by synchrotron radiation technology (XAFS, μ-XRF, μ-XRD, μ-XANES, STXM, etc.) and common characterization methods. The optimum composition ratio of Al in Ni-Mo-Cr alloy is confirmed by analyzing the performance of intergranular embrittlement of Ni-Mo-Cr alloy caused by Te. The influence of Al element on the macroscopic properties of Te diffusion alloys is clarified by analyzing the mechanical properties, surface crack morphology and cracking path of the modified alloys diffused with Te. The evolution of the microstructure (element valence, near-neighbor structure, phase transformation, etc.) and the change of Te diffusion depth of the modified alloys are analyzed to clarify the mechanism at atomic scales of Al resisting intergranular embrittlement of Ni-Mo-Cr alloy caused by Te. This study could improve the performance of intergranular embrittlement resistance of structural alloys and is helpful to develop novel alloys with better performance and longer life-time for molten salt reactor in the future.

熔盐堆服役过程中产生的裂变产物Te会导致Hastelloy N合金晶间脆化是一个亟待解决的难题。目前的研究结果表明，在合金中添加Al元素可以显著改善合金的抗Te脆性能，但相关机理并不清楚。因此，本项目选用Al改性Ni-Mo-Cr合金（GH3535合金）为研究对象，采用同步辐射技术结合常规材料分析方法，围绕Al元素改善合金抗Te脆性能的机理展开研究。通过分析不同Al含量合金的抗Te脆性能变化规律，给出最优的成分配比；通过分析合金力学性能、表面裂纹形貌及开裂路径，阐明Al元素对有Te扩散合金宏观性能的影响；通过分析改性合金微观组织结构（化合价态、近邻结构、相变等）的演化及扩散深度变化，从原子尺度层面上揭示Al元素改善Ni-Mo-Cr合金抗Te脆性能的机理，改善熔盐堆用结构合金的抗晶间脆化能力，为提高合金在熔盐堆中的使用寿命提供思路，为研发新型高性能合金材料奠定理论基础。

熔盐堆服役过程中产生的裂变产物Te会导致Hastelloy N合金晶间脆化，这是一个亟待解决的难题。这直接决定了熔盐堆结构材料的使用寿命，关乎整个反应堆的运行安全。因此，探索改善熔盐堆用合金抗晶间开裂能力的可行措施并掌握材料性能演化规律具有重要意义。本项目以Ni-16Mo-7Cr系镍基合金为研究对象，系统研究了Te在不同Al含量的改性合金中扩散随温度及时效时间的演化规律，获得了的不同温度不同时效时间下Te、Al、Cr等元素的分布信息，发现Al元素可以显著改善合金的抗Te脆性能，明确了Al元素对Te在合金中扩散的影响规律。在力学性能方面，添加Al元素后产生的γ'相具有强化合金的作用，随着Al含量的增加，Al改性合金的极限抗拉强度提高；分析断口形貌、裂纹形貌及分布特征，证明Al改性合金的裂纹深度和裂纹数量明显降低；综合分析Te在Al改合金中的扩散行为及Al改合金的拉伸力学行为，1%Al改GH3535合金的综合性能最优。通过常规XRD和SEM方法，确定了Al改性合金和GH3535合金的表面反应产物主要是Ni3Te2和Cr3Te4。通过Al改性合金界面附近和近表层晶界上的TEM分析结合同步辐射微聚焦μ-XRF、μ-XRD实验，证实了晶界上形成的反应产物主要是Cr3Te4，Al元素在晶界附近的基体中富集。结合计算分析确定Al元素的加入提高了合金中Cr元素的活性，导致合金出现完整的Cr3Te4保护层，阻止Te的扩散，显著降低了Te元素在合金中的扩散深度。通过本项目研究，为熔盐堆用结构材料抗晶间腐蚀的改善提供思路，提高材料在熔盐堆中使用寿命，为研发新型高性能合金材料奠定理论基础。