金属材料在熔融LiCl-LiO中的腐蚀行为研究

摘要

使用后的核燃料-乏燃料的锂化还原处理技术是能够有效地减小乏燃料的体积和辐射性的一种新技术,便于其储存和管理.但是在乏燃料的处理过程中,结构材料受到熔融LiCl-Li<,2>O严重的腐蚀,从而阻碍了这种新技术的工业化的应用.目前,材料在熔融LiCl-Li<,2>O中的腐蚀行为的研究报道甚少.本文采用浸没法模拟材料在乏燃料处理过程中的服役条件,利用X射线衍射(XRD),金相,带能谱的扫描电镜(SEM/EDAX),电子探针(EPMA)等手段研究了纯金属Fe、Ni和Cr,含不同Cr含量的Fe-Ni-Cr合金,金属间化合物以及Ni-B化合物渗层在熔融LiCl-Li<,2>O中的腐蚀行为,探讨了金属在熔盐中的腐蚀机制,为乏燃料锂化还原处理技术所需结构材料的选材和防护涂层提供有益的研究结果和实验数据.纯金属Fe和Cr在熔融LiCl-Li<,2>O中的腐蚀速度均随着Li<,2>O浓度的升高而加快,而且腐蚀产物也随Li<,2>O的浓度升高发生了转变:纯Fe的腐蚀产物由LiFe<,5>O<,8>向LiFeO<,2>转变,纯Cr的腐蚀产物由固态的LiCrO<,2>向液态的Li<,2>CrO<,4>转变.通过本实验条件和传统碱性溶解-再析出的对比,初步探讨了材料在熔融LiCl-Li<,2>O中的腐蚀机制.通过热力学计算建立了Li-Fe-O和Li-Cr-O相稳定图,讨论了熔盐中Li<,2>O的活度和氧压对两种金属在熔盐中腐蚀的影响.纯Ni在熔融LiCl-Li<,2>O中发生快速腐蚀,腐蚀产物随时间的增加,依次为NiO(5小时)、Li<,2>Ni<,8>O<,10>(15小时)、LiNiO<,2>(25小时).纯镍在熔盐中的腐蚀动力学曲线呈直线,这归因于腐蚀层/熔盐的界面反应生成的LiNiO<,2>破坏了原有腐蚀层的完整性.Fe-Ni-Cr合金经LiCl和LiCl-Li<,2>O不同熔融介质腐蚀后形成相同的腐蚀产物LiCrO<,2>(或LiFeO<,2>).在750℃以上温度时,合金在熔融LiCl-Li<,2>O中的腐蚀速度明显高于在熔融LiCl中的腐蚀速度,即Li<,2>O的加入使合金腐蚀显著加剧.在熔融LiCl-Li<,2>O中,当合金的Cr含量大于7wt％时,Cr被选择腐蚀,合金的腐蚀速度随着Cr含量的增加而升高;当Cr含量小于7wt％时,Fe被选择腐蚀,腐蚀速度随Fe含量的增加而升高.几种金属间化合物在熔融LiCl-Li<,2>O都发生了加速腐蚀,形成的Al的氧化物LiAlO<,2>不具有保护性.从FeAl和两种NiAl基金属间化合物表面形成腐蚀层均产生了严重的脱落;只有由Ti的氧化物构成的TiAl-5Nb的腐蚀层内层形成了具有保护性的腐蚀膜,但由LiAlO<,2>构成的外层并不具有保护性.采用固体粉末包装法在纯镍表面制备了致密、连续的渗硼层,研究了渗硼处理对纯镍在750℃熔融LiCl-Li<,2>O中腐蚀行为的影响.渗硼层在熔融LiCl-Li<,2>O中硼元素的优先腐蚀有效的抑制了镍的氧化物的形成,而且其腐蚀速度比纯镍较慢,从而改善了纯镍在熔融LiCl-Li<,2>O中的抗腐蚀性能.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1硫酸盐热腐蚀

1.1.1实验方法

1.1.2热腐蚀的热力学

1.1.3热腐蚀机理—酸碱熔融模型

1.1.4合金元素对合金抗热腐蚀性能的影响

1.2碳酸熔盐腐蚀

1.2.1阴极一侧材料的腐蚀

1.2.2阳极一侧材料的腐蚀

1.3高温氯化腐蚀

1.3.1高温氯化腐蚀特征

1.3.2高温氯化腐蚀机理—活化氧化

1.4论文的研究目的和意义

参考文献

第二章实验方法

2.1实验材料

2.2腐蚀试验

2.3腐蚀产物分析

第三章纯金属Fe、Cr、Ni在熔融LiCl-Li2O中的腐蚀行为

3.1纯Fe在熔融LiCI-Li2O中的腐蚀行为

3.1.1 Li-Fe-O相稳定图

3.1.2腐蚀动力学

3.1.3腐蚀产物分析

3.2纯Cr在熔融LiCI-Li2O中的腐蚀行为

3.2.1 Li-Cr-O相稳定图

3.2.2腐蚀动力学

3.2.3腐蚀产物分析

3.3关于纯金属Fe和Cr的腐蚀机制的讨论

3.3.1腐蚀机制

3.3.2纯Fe在熔融LiCl-Li2O中的腐蚀

3.3.3纯Fe在熔融LiCl-Li2O中的腐蚀

3.4小结

3.5纯Ni在熔融LiCl-Li2O中的腐蚀行为

3.5.1腐蚀动力学

3.5.2腐蚀产物分析

3.5.3讨论

3.5.4小结

参考文献

第四章Fe-Ni-Cr合金在熔融LiCl和LiCl-25wt％Li2O中的腐蚀行为

4.1腐蚀动力学

4.2腐蚀产物分析

4.3讨论

4.4小结

参考文献

第五章几种金属间化合物在熔融LiCl-10wt％Li2O中的腐蚀行为

5.1 NiAI基多相金属间化合物在熔融LiCl-Li2O中的腐蚀行为

5.1.1腐蚀动力学

5.1.2腐蚀产物分析

5.1.3讨论

5.1.4 小结

5.2 FeAl金属间化合物在熔融LiCl-Li2O中的腐蚀行为

5.2.1腐蚀动力学

5.2.2腐蚀产物分析

5.2.3讨论

5.2.4小结

5.3 TiAl-5Nb金属间化合物在熔融LiCl-Li2O中的腐蚀行为

5.3.1腐蚀动力学

5.3.2腐蚀产物分析

5.3.3讨论

5.3.4小结

5.4几种金属间化合物在熔融LiCl-Li2O腐蚀行为的比较

参考文献

第六章渗硼处理对纯镍在熔融LiCl-Li2O中的抗腐蚀腐蚀性能的影响

6.1渗硼实验

6.1.1渗硼处理

6.1.2渗硼层组织结构

6.2腐蚀动力学

6.3腐蚀产物分析

6.4结论

参考文献

全文总结

创新点摘要

博士期间发表和投稿的学术论文

致谢

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