熔盐堆用镍基合金中氦行为的离子束技术研究

发布时间：2020-06-11 20:51

【摘要】：熔盐堆由于高温、强腐蚀和高中子剂量的服役环境特点，需要抗辐照、耐高温熔盐腐蚀的镍基合金做结构材料。但当镍基合金受到中子辐照后易生成氦，从而可能产生氦脆问题。氦脆的产生不仅使合金性能降低、寿命缩短，甚至带来灾难性的后果。美国橡树岭国家实验室研发的镍基Hastelloy-N合金，已经成功应用于MSRE熔盐堆中。我国的钍基熔盐核能系统TMSR项目中，已经研发了镍基GH3535高温合金，其热力学性能、耐熔盐腐蚀性能得到一些验证，但其抗辐照性能有待考验。尽管关于纯金属和特定合金中氦行为的研究很多，但对研发未来熔盐堆用抗辐照抗高温合金，以及对现有材料改性提高其抗辐照能力，需要研究清楚在熔盐堆工况下，氦的产生对合金材料的微观结构影响，如缺陷的演化、氦泡的形核长大机制，以及氦的产生对合金力学机械性能的影响。本研究主要基于离子束技术，研究了国产镍基合金（GH3535）和进口镍基合金（Hastelloy-N）中的氦行为，研究了氦离子束辐照后镍基合金微观结构及微观应变的变化，微观结构演化与合金硬化之间的关系，氦泡形成、聚集和迁移行为，以及氦含量在合金表面的深度变化，同时研究了氦离子辐照和熔盐腐蚀对合金的综合影响。镍基GH3535合金经70keV氦离子束辐照后，进行了不同温度的退火，结果显示，经较低温度的退火，微观应变随退火温度的上升而增大；当退火温度上升到973K及以上温度时，微观应变量急剧下降至未被辐照时值。辐照产生的缺陷使样品的微观应变增加，873K~973K温度的退火，在合金样品中产生了纳米级氦泡和缺陷团簇，且随退火温度的增加，氦泡密度数和尺寸变大，缺陷团簇聚集，导致微观应变增加。当973K及以上高温退火，由于氦的迁移致氦泡消失，以及缺陷团簇的热回复使微观应变降低。镍基Hastelloy-N合金经过不同能量和剂量的氦离子辐照后硬度增加，其硬度增加值与剂量成正比。随着入射氦离子能量的增加，合金受到的辐照损伤深度增加，在剂量相同的情况下，合金样品平均损伤减小，硬度增加值减小。经过873K真空退火后，合金硬度增加值减小，但仍保持着随剂量增大而增加的规律。氦离子辐照后合金内产生的尺寸为1nm~7nm的黑斑（缺陷）阻止位错线的滑移运动是造成合金硬化的主要原因，退火后合金内部分黑斑（缺陷）的消失，是造成硬度增加值减小的原因之一。经过873K退火后合金内小尺寸的氦空位复合体聚集形成尺寸较大的氦空位复合体，而弹性反冲探测测得氦含量相对于退火前有所减少，说明氦空位复合体数量急剧减少，这也可能是合金硬化得到部分回复的原因之一。镍基合金在熔盐堆服役环境中，是在高温熔盐腐蚀环境中受到辐照损伤的。为了研究Hastelloy-N合金被熔盐腐蚀后的抗辐照性能，对Hastelloy-N合金进行了973K高温FLiNaK熔盐腐蚀100h，腐蚀后样品表面特别是晶界处生成了孔洞，，腐蚀层厚度约20μm，腐蚀层内Cr和Fe元素流失而Ni元素有部分富集。腐蚀样品经过70keV氦离子辐照后，表面孔洞密度急剧增加，但当辐照剂量达到一定值后，表面孔洞反而有所减少，表面趋于平坦。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（上海应用物理研究所）
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TL426;TL341

【参考文献】