含Ti低活化FeCrV基中熵合金的铅铋腐蚀性能研究

本研究采用电弧熔炼法制备了低活化且等原子比的FeCrV以及含Ti的FeCrVTi中熵合金,并对其相结构和铅铋腐蚀性能进行了研究。在相组成方面,表征结果显示FeCrV合金为BCC单相结构,FeCrVTi合金为BCC + Laves双相结构,同时表征结果与热力学参数经验标准的预测结果相互吻合,证实了利用热力学参数开发与设计合金的可行性。然后,耐铅铋腐蚀性能方面,结果发现由于Ti的加入,FeCrVTi合金的耐铅铋腐蚀性能与FeCrV合金相比并未得到提升,同时还有一定程度的腐蚀层脱落现象。最后,通过表面和截面分析合金的腐蚀机理,推断出FeCrV合金以氧化腐蚀为主,而FeCrVTi合金以BCC相的氧化腐蚀和Laves相的溶解腐蚀为主。本研究为铅冷快堆和ADS系统的耐铅铋腐蚀性和低活化性结构材料的开发提供了新的思路和观点。

高温蒸馏坩埚在铅铋合金中的腐蚀行为研究

针对高温蒸馏处理铅铋合金(LBE)冷却剂中210 Po的坩埚腐蚀行为,在1000℃、5000 Pa条件下开展了材料为金属、氧化物和石墨的坩埚与LBE的静态腐蚀试验,获得了不同材料坩埚试验前后的质量变化、腐蚀试验后LBE中引入的杂质含量、坩埚内外表面及LBE表面形貌的变化以及氧化铝坩埚腐蚀试验后与LBE交界面的金相形貌。结果表明:以石英、氧化铝、氧化锆和钼为材料的坩埚高温下质量稳定;腐蚀试验后,以氧化铝、氧化锆、钼和钨为材料的坩埚引入LBE中的杂质含量小于31 ppm;以氧化铝和氧化锆为材料的坩埚腐蚀试验后内外表面均无腐蚀;氧化铝坩埚与LBE金相界面无腐蚀。综上所述,氧化铝坩埚耐LBE腐蚀性能较好,适宜用作LBE高温蒸馏处理210 Po的蒸馏容器。

静态腐蚀条件下铁素体/马氏体钢和奥氏体不锈钢与液态铅铋合金相容性研究进展

液态铅铋合金(LBE)是铅冷快中子反应堆(LFR)和加速器驱动次临界系统(ADS)的主要冷却剂材料。反应堆用结构材料(如铁素体/马氏体钢、奥氏体不锈钢等)在液态LBE环境下存在液态金属腐蚀(LMC)和应力腐蚀的问题,这些问题给钢结构材料的安全服役带来隐患。阐述了钢材铅铋腐蚀类型及机理,归纳了材料设计与处理(元素成分、热处理、加工制造和表面处理)和腐蚀条件(氧质量分数、腐蚀温度和腐蚀时间)对钢材铅铋腐蚀行为的影响机制;澄清了LBE环境下的应力腐蚀与金属脆化机制,总结了内外因素(材料种类、表面缺陷、热处理、氧质量分数、腐蚀温度和拉伸速率)对钢材拉伸性能的影响,并展望了未来铅铋反应堆结构材料的研究方向。建议面向未来的铅铋堆用钢应优化材料设计和处理方式(提高Si、Al等元素的含量、表面镀膜和热处理)同时控制LBE中环境参数(温度、氧质量分数和腐蚀时间)以提高钢材的耐铅铋腐蚀性能。

应力对316L在液态铅铋共晶合金中腐蚀行为的影响

目的研究应力对316L在高温液态铅铋合金(LBE)中腐蚀行为的影响。方法将316L制成C型环试样,加载应力后将其置于500℃的LBE中腐蚀2500 h,利用X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)等手段分析腐蚀程度。结果在应力作用下,316L在LBE中的腐蚀机制仍然为氧化腐蚀,且形成的氧化层结构和成分与无应力状态下的一致;材料表面氧化层总厚度显著增加,且内/外氧化层之间更容易产生裂纹,随腐蚀时间的延长,外氧化层有剥落的趋势。施加应力后,试样的氧化速率系数从0.1901μm/h增大至0.2781μm/h,其中内氧化层生长速率增加得更显著。EBSD分析表明,施加应力后,316L组织未发生改变,晶界附近的腐蚀加剧。结论在应力作用下,基体晶界缺陷密度增加,元素在晶界处的扩散速率增大,内氧化层的生长速度加快,腐蚀速度增加。

T91钢在氧浓度为0.01ppm静态铅铋合金中的界面腐蚀特征

开展了铅基反应堆候选结构材料T91钢在500℃、0.01ppm氧浓度、静态铅铋共晶合金(LBE)中的腐蚀行为研究,腐蚀时间依次为500、1 000、2 000h。采用SEM观察腐蚀界面组织形貌,并结合EDX分析界面产物成分及元素扩散行为。结果显示:T91钢发生了氧化腐蚀,表面生成了具有3层结构的氧化膜。最外层为疏松且有LBE渗透的Fe3O4层,中间层为致密且具有保护性的(Fe,Cr)3O4层,最内层为富含铬元素的内氧化层(IOZ)。随着腐蚀时间的增加,Fe3O4层和(Fe,Cr)3O4层的厚度先快速增加,在1 000h时分别达到6.5μm和7.4μm;随着腐蚀时间进一步增加,Fe3O4层的厚度略有减小而(Fe,Cr)3O4层的厚度略有增加,而IOZ的厚度却一直近似以线性规律缓慢增加。

铋对铅钙合金腐蚀行为的影响

通过恒电流阳极失重法,扫描电镜观察和腐蚀电阻测定,研究了秘对Pb—Ca—Sn—Al合金耐蚀性能的影响。结果表明,在0.0025w％～0.0648w％范围内,随着铋含量增加,合金耐蚀性能提高,腐蚀更为均匀,腐蚀层与基体金属之间断裂减少。

CrFeAlTi复合涂层抗高温氧化及耐铅铋合金腐蚀性能

采用热喷涂-激光复合工艺在304不锈钢基体上制备3种CrFeAlTi复合涂层。采用氧化增重法评定涂层和基材抗高温氧化性能;利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM/EDS)和X-射线衍射仪(XRD)对涂层微观组织结构进行分析,并对涂层耐液态铅铋合金(LBE)腐蚀性能进行研究。结果表明,3种CrFeAlTi复合涂层均具有良好的抗高温氧化性和耐液态铅铋合金腐蚀性,未加入304不锈钢粉末制备的涂层相对更好;750℃和850℃下氧化3h后304基材增重量分别为0.70g/m2和0.88g/m2,而涂层增重量在850℃也仅有0.074g/m2;450℃和550℃下腐蚀300h,Pb元素沿基材表面向内部的扩散深度达到了8μm和10μm,而在涂层中几乎无扩散,涂层具有很好的抗腐蚀性,能阻止液态铅铋合金扩散到内部,对基材起到一定的防护作用。

316L和T91不锈钢在550℃静态铅铋合金中的腐蚀行为

液态铅铋合金(LBE)是加速器驱动次临界系统(ADS)重要的散裂靶材料和冷却剂候选材料,也是先进快中子堆的重要冷却剂材料.由于LBE会对结构材料产生强烈的腐蚀,因此LBE的应用需要优先解决高温下LBE与结构材料的相容性问题.这里报道了ADS候选结构材料316L和T91不锈钢样品在550℃静态LBE中腐蚀1 000h的实验研究.利用扫描电子显微镜表征了腐蚀后的样品横截面的显微结构形貌,通过EDS面扫描分析了LBE/基体界面处主要元素分布.结果表明,两种样品都遭受了强烈的元素溶解与LBE渗透腐蚀,T91比316L表现出了略好的抗LBE腐蚀性能.

CLAM钢焊缝在550°C流动的铅铋合金中的腐蚀行为

为了研究中国低活化马氏体(CLAM)钢TIG焊缝在流动的铅铋共晶合金(LBE)中的腐蚀行为,对CLAM钢TIG焊缝及母材在550℃,不同相对流速(1.70,2.31,2.98 m/s)的LBE中进行1 500 h的腐蚀试验.结果表明,腐蚀试样表面均存在双层结构的氧化层,外氧化层由疏松的Fe3O4组成,内氧化层由致密的(Fe, Cr)3O4组成;随着LBE相对流速的增加,提高了CLAM基体材料中的Fe,Cr元素向LBE中的溶解速率和LBE中的O元素向CLAM基体材料中的扩散迁移速率,加剧了试样表面的腐蚀程度,最终导致试样表面氧化层的厚度不断增厚;经过相同条件的腐蚀试验后,CLAM钢焊缝试样的抗腐蚀性能比母材试样低.

316L钢焊接接头在液态铅铋合金中的空泡腐蚀研究

通过使用大功率超声空化装置对固溶处理前后的焊接接头在液态铅铋合金中的空泡腐蚀行为进行了研究。使用电子扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)对不同空化时间的焊缝的表面形貌、表面粗糙度以及表面硬度进行分析。研究发现,随着空泡腐蚀的不断进行,材料表面的粗糙度和最大腐蚀深度均在不断增加,且固溶处理前后的焊缝在空泡腐蚀前期均出现加工硬化的现象。未固溶处理的焊缝表面还出现显著的塑性变形的痕迹。固溶处理后的焊缝硬度大幅提高,塑性虽然下降,但是结果表明固溶处理后的焊缝组织的耐空蚀性能更好。

MAX相材料在液态Pb和LBE中的腐蚀行为研究

MAX相因其优异的综合性能成为铅冷快堆的重要结构材料之一。介绍MAX相在液态Pb和铅铋合金(Lead-Bismuth Eutectic,LBE)中的腐蚀行为,分析温度、氧浓度、液态金属流速、腐蚀时间、材料成分及表面状态等因素对MAX相材料液态金属腐蚀行为的影响,并指出MAX相材料液态金属腐蚀研究中存在的问题及潜在的研究方向。

液态铅铋合金绕丝燃料组件共轭传热数值模拟

围绕液态铅铋合金(LBE)的数值模拟研究通常仅针对流体域,而忽略了固体域的影响。为了研究绕丝燃料组件物理模型及边界条件对LBE的流动与传热的影响,基于质量守恒原则、能量守恒原则和传热特性等效原则,设计了燃料棒及绕丝表面有恒热流密度的纯流体域模拟、燃料棒及绕丝有恒体积功率的流固共轭传热模拟、燃料棒表面有恒热流密度的纯流体域模拟和燃料棒有恒体积功率的流固共轭传热模拟这4种数值模拟方案,在施加相同总功率条件下,比较了4种方案的LBE和流固边界上的温度分布差异。对比分析4种方案的大涡模拟结果发现:流固共轭传热方案比热流边界方案更具合理性;与Pacio实验数据相比,方案四即燃料棒具有恒体积功率的流固共轭传热的数值模拟结果在流固边界峰值温度上的偏差最小。因此,针对绕丝燃料组件LBE及包壳局部温度峰值的数值预测,推荐采用燃料棒有内热源的流固共轭传热数值模拟方案,能够准确预测绕丝燃料组件内LBE的温度特性。

液态铅铋合金与钢铁交互作用的微尺度仿真研究进展

液态铅铋合金(LLBE)是加速器驱动次临界系统和反应堆冷却剂的候选材料,其与钢铁材料接触会造成材料腐蚀。理清LLBE与钢铁材料交互作用的机理对揭示LLBE中钢铁材料腐蚀机制具有重要作用。目前,微尺度仿真技术已大量用于研究LLBE与钢铁交互作用的微观机理及规律。系统介绍了微尺度仿真技术在LLBE环境中钢铁材料的腐蚀与防护以及腐蚀产物污染研究中的应用,探讨了LLBE与钢铁材料交互作用微观仿真研究的发展方向。

不同Si元素含量9Cr耐热钢熔敷金属铅铋腐蚀行为

为研究Si元素含量对9Cr铁素体-马氏体耐热钢熔敷金属在液态铅铋中腐蚀行为的影响,将不同Si元素含量9Cr铁素体-马氏体钢熔敷金属分别在550℃饱和氧及控氧(氧浓度:1×10^(-6)%~5×10^(-6)%,质量分数)静态铅铋中进行腐蚀试验.结果表明,熔敷金属在550℃饱和氧铅铋中形成双层结构氧化层,在550℃控氧铅铋中形成不连续钝化层和厚度不均匀的双层结构氧化层,钝化层在腐蚀过程中会通过渗透机制和断裂机制在部分区域发生失效,失效区域氧化加剧形成双层结构氧化层.随着熔敷金属中Si元素含量的增加,饱和氧铅铋中的氧化层厚度降低,控氧铅铋中的钝化层连续性提高,熔敷金属在铅铋中的耐蚀性提高.

焊后热处理对CLAM钢焊接接头耐液态铅铋合金空泡腐蚀性能的影响

加速器驱动次临界系统的冷却剂液态铅铋共晶合金在循环管道中高速流动时会对主泵叶轮及第一壁包层材料造成空泡腐蚀.焊接接头是整个循环管道中的薄弱环节,但合理的焊后热处理是提高循环管道中焊缝区域性能最有效的方法.自主设计一套装置用于金属溶液空泡腐蚀试验.对各组试样不同时间空泡腐蚀后的表面形貌、粗糙度、空蚀坑平均深度进行分析,再结合焊后热处理后的焊缝微观组织及力学性能,对空泡腐蚀行为及耐空蚀性能提高机制进行分析.结果表明,调质后焊缝耐空蚀性能最好;760℃回火后耐空蚀性能也比较好;710℃与810℃回火后耐空蚀性能稍差;未焊后热处理焊缝耐空蚀性能最差.

铅铋回路自然循环瞬态特性与腐蚀沉积研究

为了解决液态铅铋回路在自然循环状态下腐蚀沉积对堆内结构材料的影响问题,本文开展了铅铋回路自然循环瞬态热工水力行为分析与溶解腐蚀沉积研究。通过对铅铋实验回路进行数学建模,开发了适用于瞬态自然循环的热工水力程序和腐蚀沉积程序。进行了瞬态启动、功率阶跃等典型工况下的瞬态热工水力行为分析,以及在无氧、氧控状态下的回路腐蚀沉积分布研究。结果表明:在瞬态启动过程中,铅铋回路温度波动较大,功率阶跃与入口温度增加均会导致自然循环流量的增加;铅铋回路自然循环运行且无氧控时腐蚀非常严重,在引入氧控后(c_(0)=1×10^(-8)),最大腐蚀速率仅为无氧控时的1/1000,并且加热功率的提高会导致回路的腐蚀沉积速率增加,无氧和氧控状态下结果一致。本文为铅铋回路安全稳定运行提供参考。

铅铋冷却剂与结构材料相容性分析

铅铋共晶合金(LBE)是目前最受关注的铅冷快堆冷却剂和加速器驱动次临界系统(ADS)冷却剂及散裂靶材的首选材料,因其熔点低,沸点高,导热率高,抗辐照性好,化学活性稳定。但是,液态铅铋合金冷却剂会对一般的结构材料造成严重腐蚀,因而对于材料相容性的研究是非常必要且有意义的。本报告对有关方面进行调研,阐述液态铅铋合金中结构材料腐蚀机制,理清腐蚀测试实验具体流程,初步筛选出一些待测材料,对液态铅铋合金结构材料的相容性展开分析研究。

410不锈钢在550℃流动的铅铋共晶合金中的腐蚀行为

为了研究马氏体410不锈钢在不同流速的高温液态铅铋共晶合金中的腐蚀行为,本工作对410不锈钢在相对流速为0 m/s、1.70 m/s、2.31 m/s、2.98 m/s的550℃液态铅铋共晶合金中进行600 h试验后的腐蚀现象进行研究,并对不同流速腐蚀试验后的腐蚀试样的表面和截面分别进行XRD、SEM、EDS检测。结果发现:随着相对流速的增大,腐蚀样品表面的氧化层越来越致密,氧化层的厚度也不断增厚。这是由于传质速率的增大加快了氧化层的生成速率;腐蚀样品表面的氧化层主要分为外氧化层和内氧化层,外氧化层主要由Fe3O4以及部分渗入的Pb-Bi组成,内氧化层主要为尖晶石结构的(Fe,Cr)3O4;在腐蚀过程中同时发生晶间腐蚀和氧化腐蚀现象。

铅铋共晶合金的流动速度对CLAM钢腐蚀行为的影响

为了研究中国低活化马氏体(CLAM)钢在不同相对流速铅铋共晶合金(LBE)中的腐蚀行为,本研究对CLAM钢在550℃不同流动速度(0 m/s、1.70 m/s、2.98 m/s、3.69 m/s、4.77 m/s)的液态LBE中进行了500 h的腐蚀试验。试验后分别对腐蚀试样表面进行SEM、XRD检测以及对试样截面进行SEM-EDS和面扫描检测。结果表明,经过500 h腐蚀试验后的试样表面均形成双层结构的氧化层,外氧化层由Fe 3O 4组成,内氧化层由(Fe,Cr)3O 4组成。在LBE相对流速从0 m/s增大到2.98 m/s的过程中,试样表面氧化层的厚度逐渐增大,这是由于相对流速的增大提高了Fe元素的溶解速率和O元素的扩散迁移速率,进而导致试样表面发生严重的氧化腐蚀。而当LBE相对流速从2.98 m/s继续增大到4.77 m/s时,CLAM钢表面的氧化层厚度逐渐减小,这是由于随着LBE相对流速的进一步增大,试样表面冲蚀腐蚀程度逐渐加重,外氧化层厚度因遭受一定程度的剥落而急剧减小,进而使得试样表面总氧化层的厚度逐渐减小。本研究结果为未来ADS嬗变系统的实际应用提供了数据支持和参考。

奥氏体321不锈钢在550℃静态铅铋共晶合金中的腐蚀行为

奥氏体321不锈钢常用作核反应堆冷却剂主管道结构材料,铅铋共晶合金是第四代核能系统(GenⅣ)铅冷快堆冷却剂的主要候选材料。为研究321不锈钢与高温液态铅铋共晶合金的相容性,对321不锈钢在550℃液态铅铋共晶合金中的200、400、600 h腐蚀现象进行了研究。对不同腐蚀时间后腐蚀试样的表面和截面分别进行了XRD和SEM、EDS检测。结果发现:在321不锈钢试样表面产生了一种随腐蚀时间增加先生长后脱落的含O、Ti、Pb元素的化合物(Ti_2O和Pb_2O_3);在321不锈钢基体与铅铋共晶合金交界处会产生一层随腐蚀时间增加不断增厚的扩散层;321不锈钢在铅铋共晶合金中发生溶解腐蚀,在Fe、Cr元素不断向铅铋共晶合金中溶解时,伴随着Pb、Bi元素向基体中的渗透。