上海應物所耐輻照耐腐蝕高溫鎳基合金研發取得重要進展

近日,中國科學院上海應用物理研究所合金研發團隊取得重要進展,成功研制了性能優異的抗輻照、耐熔鹽腐蝕的Y2O3彌散強化鎳基合金。相關成果以“A potential candidate structural material for Molten Salt Reactor: ODS nickel-based alloy”為題,發表于冶金工程領域頂級期刊《Journal of Materials Science & Technology》,上海應物所李誠副研究員和雷冠虹副研究員為論文的共同第一作者,黃鶴飛研究員為論文通訊作者。 

熔鹽反應堆(MSR)結構材料在反應堆中面臨著強中子輻照、高溫和熔鹽腐蝕等多重環境的挑戰,根據美國橡樹嶺國家實驗室關于熔鹽實驗堆(MSRE)的技術報告及上海應物所材料研究團隊的前期研究結果,中子輻照嬗變產物He引起的高溫輻照脆化/腫脹以及堆芯合金構件的輻照腐蝕協同損傷將導致合金力學性能劣化、構件使用壽命縮短,成為了限制熔融鹽反應堆發展及高效利用的瓶頸之一。因此研發抗輻照耐熔鹽腐蝕的新型合金已成為熔鹽堆應用的一個重要課題。近年來,黃鶴飛研究員帶領團隊在前期通過在鎳基合金中加入納米SiC顆粒,采用粉末冶金的方法研制了耐輻照的碳化物彌散強化(CDS)鎳基合金,受到了國際核能材料領域的廣泛關注(Journal of Materials Science & Technology 31 (2015) 923; Materials & Design 90 (2016) 359)。2017年世界核新聞網站上以“熔鹽堆研發的新合金”為題對該工作進行了報道。 

與納米SiC顆粒相比,Y2O3納米顆粒經溶解后再析出,其顆粒更細小均勻,且在高溫下更穩定,這為進一步提高合金力學性能及抗He脆能力奠定了理論基礎。然而,氧化物的存在可能會導致合金的耐熔融鹽腐蝕性能變差。為了驗證這一問題,采用粉末冶金法研制了NiMo-1 wt%Y2O3合金,系統考查了合金的機械性能、抗輻照性能和耐熔鹽腐蝕性并與熔鹽堆候選結構材料哈氏N合金進行了比較。實驗結果表明,合金具有優異的抗拉伸強度(1193Mpa)和屈服強度(1063Mpa),高于哈氏N合金(HN合金的抗拉強度為800Mpa,屈服強度為350Mpa)及CDS合金(抗拉強度為965Mpa,屈服強度為825Mpa)。此外,NiMo-Y2O3合金經輻照后He泡的體積分數(~0.3%)低于哈氏N合金中He泡的體積分數(0.58%),這表明Y2O3納米顆粒的引入有效地抑制了He引起的腫脹。不僅如此,NiMo-Y2O3合金還表現出優異的耐熔融性鹽腐蝕,顯示了其作為MSR結構材料的巨大潛力。 

本項研究得到了國家自然科學基金優秀青年科學基金、面上基金、青年基金以及中國科學院青年創新促進會的資助支持。(材料研究部 供稿) 

文章鏈接:https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.08.071

1. NiMo-Y2O3合金力學、抗氦致腫脹及耐腐蝕性能