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HastelloyN合金表面涂层的工程制备及其耐熔盐腐蚀行为研究

论文编号:lw201806072211239035 所属栏目:工程硕士论文 发布日期:2018年06月08日 论文作者:www.51lunwen.com
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第 1 章 绪 论

1.1 研究背景
目前国际上提出了面向未来的第四代反应堆的开发计划,并成立了第四代国际核能论坛(Generation IV International Forum,GIF),进行合作研究开发第四代核能系统[1-9]。GIF 将超临界水冷堆、高温气冷堆、熔盐堆、钠冷快堆、铅冷快堆和气冷快堆作为优先研究对象,表 1.1 列出了 6 种堆型的各自特点[10]。在第四代反应堆中,熔盐堆(Molten Salt Reactor, MSR)改变了堆芯物理设计的思路,是唯一采用液态燃料的反应堆,如图 1.1 所示[3]。这种液态物是铀、钍或钚的某种氟化物与载体盐结合构成的低熔点共熔体,所以也可称为液态氟化物反应堆。这种混合物在熔点(约 460oC)以上成为非常稳定的液体,可在简单的堆芯(通常包括石墨慢化剂)和外部热交换器间连续流动。此外,氟化物熔盐独特的热物理化学性质使得 MSR 在中子经济性、放射性废物处理、固有安全性和防核扩散等方面具有无可比拟的优势[4-7]。上世纪 60 年代初,美国橡树岭国家实验室(Oak RidgeNational Laboratory,ORNL)研发设计并成功建造了 8MWt 的熔盐堆实验装置(Molten Salt Reactor Experiment,MSRE),MSRE 证实了 MSR 原理的可行性,其维护和检修也方便,控制稳定[10]。MSR 在高温、强腐蚀及辐射的恶劣环境下运行,熔盐回路中所有的重要部件都直接或间接地与熔盐接触,材料耐熔盐的腐蚀能力对 MSR 的发展和应用起着关键限制,氟化物熔盐与材料的腐蚀行为最值得深入研究[8-11]:一方面,受到熔盐腐蚀后的材料表面会产生孔洞或裂纹,导致熔盐回路管道穿孔或破裂;另一方面,不溶于熔盐的腐蚀产物可能会堵塞管道、阀门或仪器设备,造成意外停堆,并由此引发熔盐泄漏或堆温异常升高等恶性事故,从而影响反应堆的安全稳定运行。因此材料在熔盐中的腐蚀行为研究对熔盐应用于反应堆和工业化发展至关重要。熔盐堆选用熔融液态氟化物熔盐作为一回路和二回路的冷却剂,其中冷却剂盐一般为碱金属和碱土金属氟化物的混合物,在堆芯和外部热交换器间连续流动,熔融氟化盐具有良好的热导率、低粘度、低的工作压强、低熔点、高沸点、相对良好的化学惰性等[7]。
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1.2 熔盐堆用结构材料腐蚀的国内外研究进展
熔盐堆用结构材料由于要与高温熔融燃料盐直接接触,这使得结构材料要同时处于高温、中子辐照和强腐蚀等极端环境,这对材料本身提出了极其严格的要求,而能够耐受高温氟化盐腐蚀的金属材料却非常少。20 世纪 50 年代以来,ORNL、威斯康辛大学、日本国立聚变科学研究所等研究机构对有望应用于 MSR中的金属合金材料、碳材料、陶瓷材料开展了深入研究,获得了大量翔实可信的技术资料,结果表明,目前可用的哈氏合金也只能有限满足 MSR 的技术要求[7-9]。镍基耐蚀合金因其优异的耐腐蚀性能,被广泛应用于核电、燃料电池、太阳能系统、原子能、冶金和化工等工业中[13]。镍基合金和石墨是当前国际上公认的能应用于 MSR 的材料,但两者仅能达到 MSR 的有限要求,其中镍基合金高温强度低,且在 800oC 以上环境中的耐熔盐腐蚀能力不够,而石墨材料机械强度不足,各向异性膨胀达不到作为结构材料长期使用要求[14-16]。Hastelloy N 合金是一种高钼镍基耐蚀合金,为 ORNL 专门为发展熔盐反应堆研制的耐熔融氟盐腐蚀的理想材料。Hastelloy N 合金在多种腐蚀介质中具有良好的耐腐蚀性能,可用于锆、铍、锂、钠、钾和铀等的卤化物熔盐环境中[8-9]。研发 Hastelloy N 合金之前,ORNL 的学者对适用于 MSR 中的镍基合金的耐高温氟盐腐蚀性进行了大量相关研究工作,以期为其在 MSR 中的应用提供实验依据[17-26]。Williams 等[17-18]研究了具有较高耐腐蚀性的镍基合金(Ni-15%Cr-7%Fe) 在Flibe 熔盐中的腐蚀行为并用于 MSR,利用 OM 和 TEM 分析了材料与熔盐的相容性。Devan 等[19]研究发现,镍基合金在熔盐中的腐蚀行为主要表现为合金元素Cr 的选择性溶解,从而产生空穴,且空穴数量逐渐增加并缓慢移动,大量空穴合并后尺寸增大,导致熔盐可直接通过空穴与合金材料接触进而被腐蚀。而Briggs 等[20-23]研究了无 Cr 的 Hastelloy-B (Ni-29%Mo-5%Fe)在 Flibe 熔盐中的腐蚀行为。结果发现,在 900oC 的 Flibe 熔盐中,该合金的腐蚀速率远低于镍基合金的腐蚀速率,表明若无 Cr 元素的选择性流失现象发生可大幅提高合金的耐熔盐腐蚀性。Cottrell 等[24]研究发现,虽然 Cr 元素的选择性腐蚀是镍基合金受熔盐腐蚀的主要原因,但少量的 Cr 能提高镍基合金的抗高温氧化性能,同时合金中的Mo 元素的固溶强化亦可提高合金材料的耐熔盐腐蚀性以及有利于合金的加工成型。
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第 2 章 实验材料、设备及表征方法

2.1 实验材料
实验所用的基体材料为由中国科学院上海物理应用研究所提供的 HastelloyN 合金板材,采用金相切割机(如图 2.1)在 Hastelloy N 合金板材上截取尺寸为30*20*10 mm 的试样,涂层材料为长沙天久金属材料有限公司市售的NiCoCrAlY、纯 Ni、纯 Co 粉末(粒度为 200~300 目),化学成分分别见表 2.1和表 2.2。电沉积实验所用镀液为自制的氨基磺酸镍体系,其主要成分及含量见表 2.3,阴极为 Hastelloy N 基材,阳极是纯度为 99.9%的镍板。熔盐腐蚀实验所用介质为中国科学院上海有机化学研究所提供的高纯度固态 LiF-KF-NaF ((46.5-11.5-42) mol%,FLiNaK)盐,熔点为 454oC。熔盐中主要杂质含量见表 2.4。实验前将大块混合盐从密封罐中取出,迅速转移至惰性气氛保护的手套箱(如图 2.2)中,然后将大块盐敲碎成小块备用。
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2.2 实验设备
本论文激光实验采用激光同步送粉多道搭接扫描工艺,熔覆后再快速激光重熔扫一遍。激光熔覆实验在武汉团结激光成套设备有限公司生产的激光快速成型设备 TJ-HL-T5000 型横流 CO2激光器(如图 2.3)上进行,激光器的最高功率为5 kW,可调功率为 0.3~5.2 kW,输出不稳定度≦±5%,聚焦光斑为 Φ3~4 mm 的圆形光斑。熔覆粉末需经 80 目与 150 目的筛子筛选后与抛磨经喷砂处理后的基体一起放入鼓风干燥箱中干燥后待用,整个配粉系统如图 2.4 所示。本论文电沉积实验使用江南电子仪器有限公司的可调直流电源EM1713A进行电沉积,其技术指标:0~32 V,0~3 A,连续可调,稳压稳流。使用金坛市城东仪器厂的 85-2 数显恒温磁力搅拌器对镀液搅拌,并加热镀液,配合数显温度来控制镀液的温度,其性能:电源单相交流 50 HZ、220 V,电机功率 25 W,无级调速 0-2600 转/分 ,数显恒温:常温~100oC。电沉积后用精密测 PH 仪器来测定镀液的 PH 值,并将试样放入箱形电炉(如图 2.5)中进行热处理以提高结合力。JHN-F-1B 型超声波清洗机以及镀槽、导线等。电沉积实验装置如图 2.6 所示。
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第 3 章 Hastelloy N 基材及激光熔覆 NiCoCrAlY 涂层的腐蚀行为........19
3.1 激光熔覆 NiCoCrAlY 涂层制备........19
3.2 Hastelloy N 基材与 NiCoCrAlY 涂层腐蚀失重研究 .....20
3.3 Hastelloy N 基材显微组织分析 .........20
3.4 NiCoCrAlY 涂层显微组织分析.........23
3.5 Hastelloy N 基材与 NiCoCrAlY 涂层的腐蚀机理 .........28
3.6 本章小结 .....29
第 4 章 激光熔覆纯金属(Ni、Co)涂层的腐蚀行为.......31
4.1 激光熔覆纯金属(Ni、Co)涂层制备............31
4.2 纯金属(Ni、Co) 涂层腐蚀失重研究..........31
4.3 纯 Ni 涂层显微组织分析 .........32
4.4 纯 Co 涂层显微组织分析.........36
4.5 纯金属(Ni、Co)涂层的腐蚀机理 ......40
4.6 本章小结 .....41
第 5 章 电沉积纯 Ni 涂层的腐蚀行为........43
5.1 电沉积纯 Ni 涂层制备 .............43
5.2 电沉积纯 Ni 涂层腐蚀失重研究 .......44
5.3 电沉积纯 Ni 涂层显微组织分析 .......45
5.4 电沉积纯 Ni 涂层的腐蚀机理 ...........48
5.5 本章小结 .....49

第 5 章 电沉积纯 Ni 涂层的腐蚀行为

目前,涂层的制备技术众多,包括气相沉积、激光熔覆和电沉积等,根据不同的涂层要求可以选择不同的制备技术。电沉积技术相对于激光熔覆技术而言[60],具有设备简单且运行成本低、制备速度快、涂层致密性好和可操作性强等优势,尤其是大面积大量制备时,激光