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镍基合金中Cr/Mo/Nb元素的阈值效应与氯化物熔盐侵蚀敏感性关联研究——兼论Ni-Cr-Mo涂层与电解纯化手艺的协同防护效能

宣布时间:2025-09-20 10:56:00 浏览次数 :

氯化物熔盐系统因其奇异的物理化学特征,, ,,,,,在冶金、能源和核能等领域一连占有主要职位。 。。。。。。。作为一类典范的高温离子导体,, ,,,,,该类熔盐展现出卓越的离子电导率、宽泛的液态温度区间以及优异的化学惰性,, ,,,,,这为其在古板工业与新兴手艺中的多元化应用涤讪了物理化学基础。 。。。。。。。在电化学冶金领域,, ,,,,,氯化物熔盐作为碱金属(锂、钠、铷)及高活性稀土的生产介质,, ,,,,,其规模;;;;;;缃夤ひ找咽迪止ひ导队τ肹1]。 。。。。。。。同时,, ,,,,,在电镀领域,, ,,,,,氯化物熔盐依附其优异的金属离子消融能力,, ,,,,,被普遍用作电沉积制备耐蚀性涂层的电解质介质[2]。 。。。。。。。

在核能手艺生长历程中,, ,,,,,氯化物熔盐因其低中子吸收截面和优异的热力学稳固性,, ,,,,,被确定为第四代熔盐堆(MSR)候选冷却剂及核燃料载体,, ,,,,,并在核燃料处置惩罚及接纳方面展现出奇异的手艺优势[3]。 。。。。。。。值得注重的是,, ,,,,,与硝酸盐熔盐相比,, ,,,,,氯化物熔盐系统不但具有相近的热物理参数、同时展现出更优的热稳固性(>800℃)和更低的本钱。 。。。。。。。近年来,, ,,,,,随着聚光太阳能热发电(CSP)手艺、熔盐冷却核反应堆以及工业余热梯级使用系统的快速生长,, ,,,,,氯化物熔盐作为高温传热储热介质的工程价值日益凸显[4-5]。 。。。。。。。

然而,, ,,,,,氯盐系统在极端条件下的侵蚀性严重制约其工程化生长[6-7]。 。。。。。。。无论是作为电解质的古板应用领域,, ,,,,,照旧作为传储热质料的新型应用中,, ,,,,,熔盐与结构质料界面反应均会导致质料遭受严重的侵蚀,, ,,,,,进而引发装备寿命衰减与清静隐患。 。。。。。。。

镍基合金是卤化物熔盐中最耐侵蚀的质料之一,, ,,,,,相较于不锈钢,, ,,,,,镍基合金在高温力学性能和抗侵蚀性方面具有显著优势,, ,,,,,是氯化物熔盐系统结构质料的首选质料[8-9]。 。。。。。。。因此,, ,,,,,针对镍基合金在氯盐情形中的侵蚀动力学、界面演化纪律及防护战略的系统研究,, ,,,,,成为突破高温熔盐手艺瓶颈的要害。 。。。。。。。本文聚焦镍基合金在氯化物熔盐中的侵蚀行为,, ,,,,,通过综述其侵蚀机理、影响因素及防护要领,, ,,,,,为新一代的耐蚀合金的开发提供理论支持。 。。。。。。。

1、侵蚀机制

合金质料在熔盐情形中的侵蚀行为与熔盐系统的化学组成保存亲近关联。 。。。。。。。理论上,, ,,,,,NaCl、KCl和MgCl2等纯氯化物熔盐是不可直接氧化Fe-Cr-Ni合金中的Fe、Cr、Ni元素的,, ,,,,,由于在热力学上,, ,,,,,NaCl、KCl和MgCl2比FeCl2、NiCl2、CrCl3更稳固[10]。 。。。。。。。但大宗研究批注,, ,,,,,熔盐侵蚀历程不但受熔盐自身因素控制,, ,,,,,熔盐中保存的杂质(O2、H2O)也会加速合金的侵蚀历程。 。。。。。。。

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1.1阳极消融–氯化–氧化机制

在氯化物熔盐系统中,, ,,,,,“氯化–氧化”循环(又称活性氧化机制)作为典范熔盐本征侵蚀机理被普遍用于阐释高温侵蚀行为。 。。。。。。。在高温下,, ,,,,,金属原子(如Fe、Cr等)在熔盐中失去电子并消融,, ,,,,,形成金属离子;;;;;;;熔盐中消融的氧离子或大气中的氧气与金属离子反应天生金属氧化物(式1):

M2++x/2O2→MO(1)

M代指Fe、Cr、Ni等金属元素。 。。。。。。。

熔盐中Cl?通过渗透诱发金属氧化物爆发氯化反应(式2):

MO+2Cl?→MCl2+O2?(2)

凭证氯化反应,, ,,,,,可能天生金属氯化物(如FeCl2、CrCl3等),, ,,,,,这些氯化物蒸气压较高,, ,,,,,熔点相对较低[11-12]。 。。。。。。。

因此,, ,,,,,具有高挥发性的金属氯化物迁徙至熔盐/气相界面后会与O2反应,, ,,,,,形成Cl(2式3)[13-14]:

MCl2+O2→MO+Cl2(3)

新天生的Cl2扩散回合金外貌加入阴极还原反应(式4):

Cl2+2e→2Cl?(4)Cl?

继续诱发金属氧化物的氯化反应,, ,,,,,至此,, ,,,,,形成“氯化–氧化”循环。 。。。。。。。

关于金属原子的阳极消融历程,, ,,,,,有学者以为是镍基合金中富Cr相与γ基体间的电偶效应驱动Cr爆发选择性阳极消融[15]。 。。。。。。。

1.2杂质驱动侵蚀机制[7,16-17]

在高温氯化物熔盐系统中,, ,,,,,不可阻止地含有来自质料盐或情形气氛中的H2O和O2[18]。 。。。。。。。如若熔盐中含有亲水氯化物,, ,,,,,如MgCl2,, ,,,,,其易与情形中的水分子团结形成水合物MgCl2.H2O。 。。。。。。。该水合物在高温情形下通过水解反应分阶段剖析(式5、6):

MgCl2.H2O→MgOHCl+HCl(5)

MgOHCl→MgO+HCl(6)

天生的HCl作为要害侵蚀介质,, ,,,,,与合金中金属元素(如Fe、Cr等)爆发反应(式7),, ,,,,,引发Cr等活性元素的选择性消融,, ,,,,,并导致纯化膜保;;;;;;げ愕慕峁故В

M+xHCl→MClx+x/2H2(7)

Cl2作为焦点侵蚀介质,, ,,,,,通过奇异的“氯化–氧化”循环机制(式8、9)一连再生:

4HCl+O2→2Cl2+2H2O(8)

M+x/2Cl2→MClx(9)

气态CrCl3迁徙至熔盐/气相界面后,, ,,,,,与O2反应重新天生Cl2,, ,,,,,建设侵蚀循环。 。。。。。。。

可是,, ,,,,,LIU等通过热力学盘算展望在氯化历程天生了CrCl4向外扩散[19-20],, ,,,,,其反应如下:

MgO+Cr2O3→MgCr2O4(10)

2MgCr2O4+8MgCl2+O2→4CrCl4+10MgO(11)

CrCl4+O2→CrO2Cl2+Cl2(12)

值得注重的是,, ,,,,,MgCl2的含量会影响氯化历程,, ,,,,,当熔盐中MgCl2含量较低时,, ,,,,,侵蚀受Cl?扩散主导,, ,,,,,而高于90%(质量分数)时,, ,,,,,Cl2分压升高引发Cr优先氯化挥发,, ,,,,,氯化反应更严重[21]。 。。。。。。。

侵蚀产品的演变历程也会进一步加剧侵蚀,, ,,,,,由MgOHCl剖析形成的MgO会沉积在合金外貌,, ,,,,,形成一层保;;;;;;つぃ;;;;;;而MgO与Cr2O3反应会天生防护性较差的MgCr2O4尖晶石结构,, ,,,,,最终形成双层氧化膜(外层为MgO,, ,,,,,内层为MgCr2O4)[7,16]。 。。。。。。。可是,, ,,,,,由于CrCl3的扩散会引起应力集中,, ,,,,,导致泛起“壳破碎效应”,, ,,,,,会加速MgO膜的裂纹和剥落[22-23]。 。。。。。。。因此具有侵蚀性的氯离子会迅速向内扩散并侵蚀金属基体。 。。。。。。。

2、影响侵蚀行为的因素

2.1温度

温度是影响熔盐的形成、侵蚀动力学以及一些产品和反应物的化学稳固性的主要因素。 。。。。。。。GHAZNAVI等[24]通过系统研究铁基与镍基合金在熔融氯盐中的侵蚀动力学差别,, ,,,,,展现了温度梯度对侵蚀机制的调控效应。 。。。。。。。低温阶段(<500℃)侵蚀受界面反应控制,, ,,,,,Fe元素选择性消融形成各向同性微孔结构;;;;;;;中温区(500~700℃)晶界脱合金变得显著,, ,,,,,晶界扩散加速了侵蚀,, ,,,,,泛起沿晶界的优先侵蚀;;;;;;;高温阶段(>700℃)晶格扩散主导致密化孔隙生长,, ,,,,,侵蚀泛起一维隧道状结构,, ,,,,,同时晶间侵蚀仍然保存,, ,,,,,尤其在高温下晶界侵蚀更为深入。 。。。。。。。温度升高不但加速CrCl3挥发,, ,,,,,还通过热应力诱发保;;;;;;ば訫gO/Cr2O3膜层破碎,, ,,,,,促使Cl?沿裂纹渗透引发自加速侵蚀循环。 。。。。。。。GUO等[25]也在316不锈钢在纯化的NaCl-MgCl2熔盐中视察到晶间侵蚀征象,, ,,,,,随着温度升高,, ,,,,,晶间侵蚀加剧,, ,,,,,最大侵蚀深度从600℃时的13μm增添到700℃时的67μm。 。。。。。。。

YANG等[22]研究发明,, ,,,,,温度升高会显著影响Inconel625沉积金属在KCl-MgCl2熔盐中的侵蚀行为。 。。。。。。。随着温度由700℃上升到900℃,, ,,,,,MgO保;;;;;;げ愕奈裙绦韵宰畔陆担, ,,,,,容易爆发脱落,, ,,,,,这导致侵蚀介质更容易接触到金属基体,, ,,,,,加速了侵蚀历程。 。。。。。。。

凭证GOMEZ-VIDAL等[26]的研究,, ,,,,,Incoloy800H合金在氯盐中温度由650℃升至700℃时体现出显著的侵蚀动力学改变,, ,,,,,其侵蚀速率泛起141%的增添。 。。。。。。。值得注重的是,, ,,,,,纵然在惰性氮气气氛条件下,, ,,,,,温度梯度对合金的侵蚀仍具有显著增进作用。 。。。。。。。温度的升高增进了离子扩散速率的提升,, ,,,,,进而加速了氯化反应历程。 。。。。。。。Cr优先通过选择性消融形成挥发性CrCl3产品,, ,,,,,造成外貌Cr的严重贫化及非保;;;;;;ば訬i-Fe-Cr-O混淆氧化物的生长,, ,,,,,形成具有多孔特征的氧化层。 。。。。。。。

GORE等[27]系统研究了In740H镍基高温合金在NaCl-KCl共晶熔盐中700~800℃温度区间的早期侵蚀行为。 。。。。。。。研究批注,, ,,,,,温度升高加速合金的侵蚀历程,, ,,,,,电化学阻抗谱剖析显示,, ,,,,,侵蚀历程受氧化物层中离子扩散控制,, ,,,,,800℃时电荷转移电阻(Rct=19.69Ω.cm2)较700℃(Rct=13.39Ω.cm2)降低,, ,,,,,证实高温加剧了电化学反应动力学。 。。。。。。。同时,, ,,,,,该研究指出熔盐情形中Cl?的强渗透性破损了古板Cr2O3保;;;;;;げ愕奈裙绦裕, ,,,,,而Al的内氧化网络未能有用抑制侵蚀扩展。 。。。。。。。Inconel600合金在NaCl-KCl熔盐中700~900℃的规模内,, ,,,,,侵蚀电流密度(Icor)r从700℃的0.115mA/cm2升至900℃的0.730mA/cm2。 。。。。。。。微观剖析批注,, ,,,,,700~800℃时Cr、Fe优先消融形成多孔结构(深度200~700μm),, ,,,,,而900℃下外貌Cr氧化物层增厚,, ,,,,,内部侵蚀深度反降至200μm,, ,,,,,SALINAS-SOLANO等[28]将其归因于NiO的高热力学稳固性抑制Cl?渗透。 。。。。。。。高温下Cr氧化物与Ni基体的协同效应可延缓侵蚀历程,, ,,,,,为高Ni含量合金在极端温度下的应用提供了理论支持。 。。。。。。。

2.2熔盐组分

熔盐组分决议了盐的氧化还原特征,, ,,,,,并显著影响质料的侵蚀倾向。 。。。。。。。其通过调理Cl?的配位情形和氧化物离子的稳固性影响侵蚀动力学。 。。。。。。。VIGNAROOBAN等[29]研究在差别比例的NaClKCl-ZnCl2三元共晶熔盐中对Hastelloy系列合金的侵蚀。 。。。。。。。ZnCl2的含量会对合金的侵蚀速率会有一定的影响,, ,,,,,优化熔盐中离子型(NaCl/KCl)与共价型(ZnCl2)氯盐的比例,, ,,,,,可有用调控Cl?配位情形,, ,,,,,从而改善合金外貌钝化膜的稳固性。 。。。。。。。

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虽然一样平常以为氯离子在熔盐侵蚀中侵蚀起主导作用,, ,,,,,可是近年研究证实阳离子种类及比例对证料的侵蚀行为施展着不可忽视的作用。 。。。。。。。ZHU等[30]通过系统研究Inconel625在900℃差别氯盐系统中的侵蚀行为,, ,,,,,研究批注,, ,,,,,碱土金属氯化物(MgCl2、CaCl2)相较于碱金属氯化物(NaCl、KCl)体现出更强的侵蚀性。 。。。。。。。DUAN等[31]进一步展现其机制:MgCl2因其强吸湿性会通过水解反应爆发大宗HCl,, ,,,,,加速基体侵蚀。 。。。。。。。

侵蚀产品中天生的MgO与Cr2O3反应形成防护性较差的MgCr2O4尖晶石结构,, ,,,,,无法有用阻隔侵蚀介质扩散。 。。。。。。。相较之下,, ,,,,,NaCl-KCl-CaCl2系统中CaCl2的低吸湿性抑制了HCl天生,, ,,,,,合金外貌形成以NiFe2O4

FeCr2O4为主的层状氧化物层,, ,,,,,展现出优异的阻隔性能。 。。。。。。。

熔盐组分对O2?配位结构的调控是影响侵蚀动力学的另一要害因素。 。。。。。。。SUZUKI等[32]通过高温拉曼光谱和密度泛函理论(DFT)盘算发明,, ,,,,,在NaCl-KClMgCl2熔盐中,, ,,,,,Mg2+与O2?形成Mg-2O-2Na复合体(拉曼峰750cm?1),, ,,,,,其具有较大空间结构导致O2?扩散受限,, ,,,,,从而加速了合金在NaCl-KCl-MgCl2熔体中的侵蚀速率;;;;;;;而在NaCl-CaCl2熔盐中,, ,,,,,O2?以[NaO]?单体保存(拉曼峰492cm?1),, ,,,,,其结构简朴空间结构更小 。。。。。。。, ,,,,,这种单体快速扩散增进形成一连氧化层,, ,,,,,从而降低界面反应速率。 。。。。。。。

2.3情形气氛

ABRAMOV等[33]比照HastelloyG35在NaCl-KCl熔盐中在氩气和氧气两种气氛下的侵蚀行为,, ,,,,,研究发明,, ,,,,,在含氧气氛条件下,, ,,,,,合金的侵蚀速率较惰性氩气情形显著提高,, ,,,,,且侵蚀形貌未泛起晶界局部化特征,, ,,,,,而是以外貌整体匀称侵蚀为主导模式。 。。。。。。。这种非选择性侵蚀历程与氧诱导的氧化-氯化协同作用反应亲近相关,, ,,,,,详细体现为熔盐中O2?活度升高加速了Cr2O3保;;;;;;げ愕南冢, ,,,,,同时Cl?通过吸附竞争削弱了钝化膜的再修复能力。 。。。。。。。

XU等[20]通过研究Inconel625合金在NaClCaCl2-MgCl2三元熔盐系统中的高温侵蚀行为进一步展现,, ,,,,,空气气氛下消融氧与H2O通过协同作用加速侵蚀:O2增进Cr氧化,, ,,,,,而H2O引发MgCl2水解天生 MgOH+和HCl,, ,,,,,两者协同破损外貌氧化层。 。。。。。。。此时形成的MgCr2O4尖晶石保;;;;;;げ憧刹糠忠种艭l?渗透,, ,,,,,但高MgCl2含量(>30%,, ,,,,,摩尔分数)加剧水解。 。。。。。。。相比之下,, ,,,,,N2气氛中O2分压降低,, ,,,,,虽抑制MgCr2O4天生,, ,,,,,但剩余H2O仍促使MgCl2水解,, ,,,,,诱导保;;;;;;げ憔植靠眩, ,,,,,引发晶间侵蚀。 。。。。。。。

在熔融氯盐系统NaCl-KCl-ZnCl2中,, ,,,,,ZHUANG等[34]发明,, ,,,,,镍基合金在氩气气氛中体现出更优的耐蚀性,, ,,,,,其外貌形成致密的Cr2O3/NiO复合氧化层,, ,,,,,展现出优异的自保;;;;;;ぬ卣鳌 。。。。。。。氩气情形抑制了Cr的优先消融,, ,,,,,增进保;;;;;;ば约饩啵ㄈ鏝iCr2O4)的形成。 。。。。。。。

In718在氩气中甚至泛起质量增益征象。 。。。。。。。LIU等[35]在空气气氛下与之相同的氯盐系统中举行比照试验,, ,,,,,发明镍基合金侵蚀显著加剧。 。。。。。。 ???????掌醒醴盅沟纳咴鼋薋e/Ni氧化物的天生,, ,,,,,同时加速了保;;;;;;ば訡r2O3层的热力学剖析,, ,,,,,导致侵蚀产品以松散的NiFe2O4和ZnCr2O4为主。 。。。。。。 ???????掌蠬2O和O2引发的氧化-氯化协同作用显著提高了Cr3+/Fe2+的活性,, ,,,,,促使金属基体一连消融。 。。。。。。。

2.4合金因素

合金元素的活性关于加速或者抑制合金在熔盐中侵蚀起主要作用。 。。。。。。。合金元素在氯盐中的活性:

Cr>Fe>Co>Ni>Mo,, ,,,,,活性越高,, ,,,,,越容易被侵蚀[36]。 。。。。。。。Cr一样平常被以为是耐侵蚀合金的组分之一,, ,,,,,可是氯化物熔盐中Cr2O3氧化膜在氯盐中容易遭到破损,, ,,,,,难以提供保;;;;;;ぁ 。。。。。。。有研究批注,, ,,,,,合金中铬含量对熔融氯盐情形下的侵蚀行为泛起阈值效应。 。。。。。。。GUO等[25]发明,, ,,,,,当铬含量凌驾15%(质量分数)时,, ,,,,,合金侵蚀速率显著增添,, ,,,,,体现为点蚀坑合并及晶间裂纹扩展。 。。。。。。。高铬合金(≥15%,, ,,,,,质量分数)外貌初期形成的MgCr2O4尖晶石层可暂时抑制Cl?渗透,, ,,,,,但随着袒露时间延伸,, ,,,,,保;;;;;;げ阋駽l?一连侵蚀爆发一连性退化。 。。。。。。。研究明确指出,, ,,,,,纯粹提高铬含量反而加剧侵蚀损伤,, ,,,,,需将铬含量控制在12%~14%(质量分数),, ,,,,,同时优化Cr漫衍匀称性及合金微观结构以提升合金耐蚀性。 。。。。。。。LIU等[19]比照镍基合金Inconel625、HastelloyX和HastelloyB-3在熔融NaCl-CaCl2-MgCl2盐中的侵蚀行为。 。。。。。。。研究批注,, ,,,,,Inconel625合金在熔融NaCl-CaCl2-MgCl2

中的耐侵蚀性能最优。 。。。。。。。Cr的向外扩散导致内侵蚀层中Cr缺少区域的形成,, ,,,,,而MgCr2O4保;;;;;;げ愕男纬上灾岣吡撕辖鸬哪颓质葱浴 。。。。。。。只管HastelloyB-3合金中Ni和Mo含量较高,, ,,,,,但由于Cr含量较低,, ,,,,,其耐侵蚀性能较差。 。。。。。。。一定量的铬含量可以提高镍基合金在氯化熔融盐中的耐侵蚀性。 。。。。。。。SUZUKI等[32]使用电化学测试对Inconel600、InconelX750、HastelloyC-276和Incoloy800等四种合金在熔融氯盐中的耐侵蚀性举行研究。 。。。。。。。发明高Fe高Cr的Incoloy800合金在这些熔体中耐侵蚀性较差,, ,,,,,这是由于Cr和Fe优先消融导致晶间侵蚀加剧,, ,,,,,加速了侵蚀速率。 。。。。。。。Mo也是耐侵蚀合金主要组分之一,, ,,,,,但其对合金在氯盐中耐侵蚀性的作用也保存一定争议[1]。 。。。。。。。YU等[37]将304不锈钢、Inconel625和Haynes230合金嵌入石墨泡沫/MgCl2储热介质中,, ,,,,,在750℃下举行100~1000h侵蚀试验。 。。。。。。。效果发明,, ,,,,,Inconel625中的Mo与Nb通过固溶强化作用提升了钝化膜自修复能力,, ,,,,,而Haynes230中的W与Mo协同作用显著增强了晶界稳固性,, ,,,,,其奇异的W-Cr-Mo复合氧化层在恒久袒露中展现出优异的抗剥落特征。 。。。。。。。由于W增强了晶界的稳固性,, ,,,,,Haynes230中Cr的偏析深度坚持稳固。 。。。。。。。

LIU等[19]展现Mo在镍基合金熔融氯盐侵蚀中通过协同钝化机制提升耐蚀性。 。。。。。。。研究批注,, ,,,,,高Mo低Cr的HastelloyB-3合金中,, ,,,,,Mo优先氧化天生热力学稳固的MoO2,, ,,,,,MoO2优先消融可以消耗氧气并抑制NiO的消融[11]。 。。。。。。。但受限于Cr含量缺乏,, ,,,,,Mo的钝化作用需与Ni协同调控,, ,,,,,然而,, ,,,,,与Inconel625和HastelloyX相比HastelloyB-3合金侵蚀最严重。 。。。。。。。YANG等[22]研究指出Cr和Ni等元素优先向合金外貌扩散并进入熔融盐中,, ,,,,,导致外貌泛起空位,, ,,,,,Mo由于其较大的原子序数和较慢的扩散速率,, ,,,,,在外貌富集并形成MoO3。 。。。。。。。

MoO3通过改变钝化膜的离子选择路径,, ,,,,,阻碍Cl?的侵入,, ,,,,,从而对外貌起到部分保;;;;;;ぷ饔茫, ,,,,,但MoO3的保 护作用具有不一连性,, ,,,,,仅能笼罩部分外貌,, ,,,,,其他区域仍易受侵蚀。 。。。。。。。DOLE?AL等[38]通过第一性原理盘算研究发明,, ,,,,,在Ni-W-Nb合金中,, ,,,,,Cl优先吸附在Nb上,, ,,,,,Nb和W的保存使合金外貌形成热力学上更有利于Cl吸附的区域,, ,,,,,且这些区域对Cl增进的消融历程具有较高对抗力。 。。。。。。。WENG等[39]研究发明,, ,,,,,在合金中加入Nb可增进侵蚀历程中形成稳固的Nb2O5氧化物,, ,,,,,其作为结构黏合剂弥合Cr2O3与Al2O3的界面间隙,, ,,,,,形成一连致密的复合氧化层,, ,,,,,有用阻隔Cl?和O2?的渗透。 。。。。。。。同时,, ,,,,,Nb在基体/氧化层界面富集,, ,,,,,通过降低Cr3+的扩散系数抑制元素外迁,, ,,,,,并镌汰氧在合金中的消融度,, ,,,,,从而延缓氧化动力学历程。 。。。。。。。可是也有研究以为Nb会增进侵蚀,, ,,,,,WANG等[40]在镍基合金793K的NaCl-MgCl2共晶熔盐中侵蚀行为研究中发明,, ,,,,,Nb在GH4169合金中通过形成富含Nb的δ相,, ,,,,,加剧了质料的侵蚀敏感性。 。。。。。。。δ相与基体γ相的相界成为熔盐优先侵蚀的路径,, ,,,,,导致侵蚀层快速扩展和δ相剥落。 。。。。。。。

关于Mn、Si及微量合金元素在熔融氯盐中的侵蚀作用机制,, ,,,,,现有研究尚未系统剖析。 。。。。。。。这主要源于两方面因素:其一,, ,,,,,试验系统差别(如熔盐组成、氧含量控制精度、温度场漫衍)导致侵蚀动力学行为不可直接比照;;;;;;;其二,, ,,,,,多元合金中元素交互作用重大,, ,,,,,目今研究多聚焦简单位素作用,, ,,,,,对各元素的跨标准耦合机制仍缺乏普适性理论模子。 。。。。。。。

3、防护手艺

3.1氯盐纯化

3.1.1热纯化法

热纯化法是基于MgCl2水合物的蒸气压特征,, ,,,,,接纳设计的温度和停留时间分步加热去除MgCl2水合物中的水分,, ,,,,,镌汰水解产品(MgOHCl)[41]。 。。。。。。。FERN?NDEZ等的研究批注,, ,,,,,通过热纯化处置惩罚三元氯盐系统(55.1%MgCl2-24.5%NaCl-20.4%KCl,, ,,,,,质量分数),, ,,,,,使304不锈钢在720℃氮气情形中的侵蚀速率降低67.8%,, ,,,,,同时诱导形成MgCr2O4尖晶石保;;;;;;げ悖, ,,,,,从而协同提升质料的高温耐蚀性能[42]。 。。。。。。。但此要领无法完全阻止杂质残留(0.1%~1%,, ,,,,,质量分数),, ,,,,,这依然会导致金属的侵蚀[7]。 。。。。。。。

3.1.2化学净化法

添加金属缓蚀剂,, ,,,,,在盐中添加较为生动的金属,, ,,,,,优先被侵蚀消耗,, ,,,,,镌汰盐中的杂质。 。。。。。。。例如,, ,,,,,向含熔融氯化物的LiCl中加入锂金属[43]或在含熔融氯化物的MgCl2中加入镁金属[10]作为侵蚀抑制剂。 。。。。。。。DING等在700℃的MgCl2-NaCl-KCl熔盐中添加质量分数1%的Mg作为侵蚀抑制剂,, ,,,,,可使商业Cr-Fe-Ni合金的侵蚀速率降低70%以上[7]。 。。。。。。。可是YU等[44]发明过量添加的Mg与合金接触时,, ,,,,,由于Mg与Ni的强亲和力,, ,,,,,会形成Mg-Ni金属间化合物(Mg2Ni和MgNi2)[45],, ,,,,,导致Ni从合金基体中浸出,, ,,,,,形成多孔侵蚀层,, ,,,,,加速合金侵蚀反应。 。。。。。。。凭证盐中侵蚀性杂质的含量添加适量的Mg,, ,,,,,阻止高温Mg与含Ni合金直接接触可避免此类侵蚀[46]。 。。。。。。。

3.1.3电化学净化

电解法团结Mg阳极和脉冲电位,, ,,,,,去除盐中的MgOH+杂质,, ,,,,,镌汰Cl2天生并阻止电极钝化。 。。。。。。。DING等[10]使用镁阳极电解的要领去除NaCl-KCl-MgCl2熔盐中导致侵蚀的MgOH+,, ,,,,,试验批注,, ,,,,,未纯化盐中Incoloy800H的侵蚀速率为1550μm/a,, ,,,,,纯化后降至310μm/a,, ,,,,,侵蚀速率降低80%,, ,,,,,该要领可有用延伸高温合金在聚光太阳能系统中的服役寿命。 。。。。。。。

3.2涂层防护

3.2.1Ni-Cr合金系统涂层

在熔融氯盐系统中,, ,,,,,涂层设计通过微观结构优化与元素协同效应显著提升镍基合金的耐蚀性能。 。。。。。。。

Ni-Cr合金涂层因在外貌形成致密的保;;;;;;ば缘腃r2O3氧化层而体现出抗高温氧化和耐侵蚀特征,, ,,,,,其作为高性能防护涂层被普遍应用于低铬合金基体质料的外貌改性。 。。。。。。。PORCAYOCALDER?N等[47]接纳超音速火焰喷涂(HVOF)工艺制备的Ni20Cr涂层,, ,,,,,在ZnCl2-KCl熔盐中形成的致密Cr2O3/NiO复合氧化层结构,, ,,,,,可有用阻隔Cl?渗透,, ,,,,,而Ni的高热力学稳固性进一步抑制了金属氯化物的天生。 。。。。。。。WANG等[48]发明,, ,,,,,在650℃氯盐侵蚀条件下,, ,,,,,纯粹提高Cr含量(Ni60Cr40)会因元素偏析加剧选择性侵蚀,, ,,,,,形成Cr2O3与Ni基体交替的层状侵蚀区,, ,,,,,爆发横向贯串裂纹;;;;;;;而添加Mo的Ni-Cr-Mo涂层通过形成一连Mo富集层有用抑制Cl?渗透,, ,,,,,其中Inconel625涂层因NbO2短棒状氧化物的天生显著提升了NiO层的力学完整性。 。。。。。。。进一步研究700℃熔融NaCl-KCl系统发明,, ,,,,,含Al的NiCrMoAl涂层展现出更优异的抗氯侵蚀性能。 。。。。。。。其外貌形成的致密Al2O3层,, ,,,,,有用抑制Cl?扩散,, ,,,,,体现出优于Inconel625涂层的耐侵蚀性能。 。。。。。。。同时研究指出,, ,,,,,Mo的枝晶间偏析形成一连扩散屏障,, ,,,,,而Nb通详尽化晶界和天生NbO2/NiCr2O4共晶组织,, ,,,,,协同提升氧化层耐侵蚀性能[48-49]。 。。。。。。。

3.2.2Ni-Al合金系统涂层

相较于Cr2O3,, ,,,,,Al2O3在高温氯盐情形中体现出更优的稳固性与Cl?阻隔能力,, ,,,,,这使其成为抗氯侵蚀涂层的优选系统。 。。。。。。。JAFARI等[50]比照NiCr、NiAl和NiCrAlY涂层在600℃KCl熔盐情形下的高温侵蚀行为。 。。。。。。。研究批注,, ,,,,,NiAl涂层在KCl情形中展现出最优的耐蚀性,, ,,,,,其通过优先氧化形成一连Al2O3保;;;;;;げ悖, ,,,,,有用抑制Cl?渗透和AlCl3挥发,, ,,,,,仅表层爆发稍微Al的消耗。 。。。。。。。而NiCr和NiCrAlY涂层则履历典范的“氯化-氧化”循环机制,, ,,,,,Cr2O3保;;;;;;げ阌隟Cl反应天生挥发性CrCl3及K2CrO4,, ,,,,,导致Cr一连消耗和氧化层破损。 。。。。。。。SADEGHIMERESHT等[51]研究了Ni21Cr和Ni5Al涂层在600℃含氯情形的侵蚀行为也获得相同的效果,, ,,,,,Ni5Al涂层在600℃KCl情形中因Al2O3层抑制Cl?扩散,, ,,,,,仅爆发局部NiAl2O4混淆氧化。 。。。。。。。另外,, ,,,,,有研究指出恒久服役中Al的一连消耗可能导致涂层爆发β-NiAl→γ'-Ni3Al相变,, ,,,,,降低保;;;;;;ば匝趸恋脑偕芰52]。 。。。。。。。

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XU等[53-55]对Ni-Al涂层在高温氯盐中的侵蚀行为举行了深入研究。 。。。。。。。当Al含量为9.9%(质量分数)时,, ,,,,,涂层外貌形成致密Al2O3保;;;;;;げ悖, ,,,,,有用阻隔Cl?渗透,, ,,,,,而Al含量过高(14.5%~61.1%,, ,,,,,原子分数)则因Al与Cl?太过反应天生AlCl3,, ,,,,,导致保;;;;;;げ闶Ш颓质此俾噬撸, ,,,,,说明Al/O含量平衡是保;;;;;;げ阄裙绦缘木鲆橐蛩豙53]。 。。。。。。。进一步研究发明,, ,,,,,通过多层结构设计(NiAl/Al/Si-NiAl)团结预氧化处置惩罚,, ,,,,,可形成一连致密的Al2O3层,, ,,,,,其侵蚀历程泛起三阶段特征:初期氧化层增厚(0~112h)、中期稳固(112~162h)及后期稍微减薄 。。。。。。。>162h),, ,,,,,该结构不但通过纯Al层提供一连Al源,, ,,,,,同时Si的添加增进α-Al2O3相形成并抑制基体Cr外扩散[54]。 。。。。。。。进一步研究发明,, ,,,,,Si的适量掺杂(1.2%,, ,,,,,原子分数)可显著提升涂层性能:一方面通过增进θ→α-Al2O3相变形成纳米晶α-Al2O3层,, ,,,,,另一方面通过提升Cl?扩散能垒抑制熔盐渗透[55]。 。。。。。。。

3.2.3MCrAlX系统涂层

MCrAlX(M=Ni和/或Co,, ,,,,,X=Y,, ,,,,,Hf,, ,,,,,Ta等)涂层通过形成致密的Al2O3/Cr2O3复合氧化层以保;;;;;;ず辖鸩皇苈然镅巍⒘蛩嵫巍⒎八嵫蔚热垩吻樾蔚那质碵56-59]。 。。。。。。。Cr的加入增进了保;;;;;;ば缘摩-Al2O3膜的形成,, ,,,,,同时抑制Al的消耗,, ,,,,,而稀土元素可以细化晶界抑制氧化层剥落。 。。。。。。。GOMEZ-VIDAL等[60]使用HVOF工艺制备的NiCoCrAlYTa涂层经900℃/24h预氧化处置惩罚后,, ,,,,,在相同侵蚀情形下将310不锈钢的侵蚀速率降低至190μm/a,, ,,,,,降幅达96%。 。。。。。。。NiCoCrAlYTa涂层通过预氧化处置惩罚形成一连致密α-Al2O3层,, ,,,,,有用阻隔熔盐渗透,, ,,,,,涂层中Cr的保存增进了α-Al2O3的形核,, ,,,,,相较于θAl2O3相具有更低的孔隙率和更高的结构稳固性。 。。。。。。。

SADEGHIMERESHT等[61]通过HVAF工艺制备NiCrAlY涂层,, ,,,,,发明其在600℃纯HCl/O2情形中可形成致密Cr2O3氧化层实现有用防护,, ,,,,,但在KCl沉积的协同作用下侵蚀恶化。 。。。。。。。Al的优先氧化导致NiCr2O4尖晶石结构转变,, ,,,,,为Cl?/Cl2沿晶界渗透提供扩散通道,, ,,,,,进而形成CrCl3挥发并加速涂层的剥落失效。 。。。。。。。WANG等[62]进一步研究批注,, ,,,,,适量Mo掺杂(3%~5%,, ,,,,,质量分数)可通过增进α-Al2O3相变和抑制Cl?渗透优化涂层抗蚀性,, ,,,,,但过量添加会导致γ/γ'相混杂及MoO3挥发问题。 。。。。。。。这展现出NiCrAlY涂层在氯盐情形中的性能缺陷主要源于Al/Cr氧化产品的结构失衡及Cl?渗透的协同作用,, ,,,,,而过渡金属元素的协同改性是提升其耐久性的有用途径,, ,,,,,其中Mo的引入既可优化氧化层致密性,, ,,,,,又能阻断Cl?扩散路径,, ,,,,,为设计抗氯侵蚀涂层提供了要害理论依据。 。。。。。。。

4、总结与展望

系统综述了镍基合金在氯化物熔盐中的侵蚀机制、要害影响因素及防护战略。 。。。。。。。研究批注,, ,,,,,侵蚀行为主要由“氯化–氧化”循环及杂质(H2O、O2)驱念头制主导,, ,,,,,其中MgCl2水解天生的HCl和Cl2加速Cr选择性消融与氧化层破损。 。。。。。。。温度升高显著加剧晶间侵蚀与Cl?扩散,, ,,,,,熔盐组分和气相情形(O2、H2O)通过调控Cl?活性与氧化膜稳固性影响侵蚀动力学。 。。。。。。。合金因素中Cr、Mo等元素泛起阈值效应:适量Cr(12%~14%,, ,,,,,质量分数)可形成尖晶石保;;;;;;げ悖, ,,,,,但过量则加剧侵蚀;;;;;;;防护战略聚焦熔盐纯化与涂层手艺,, ,,,,,通过形成致密Al2O3/Cr2O3层阻隔Cl?渗透,, ,,,,,但恒久稳固性和界面结协力仍需优化。 。。。。。。。

通过回首和总结最新研究希望发明,, ,,,,,镍基合金在高温氯盐中的侵蚀行为可从合金与熔盐两个角度举行更深入的探讨:

1)合金方面:进一步展现多元合金元素(如Nb、W、Si)的跨标准协同机制,, ,,,,,开发耐高温、抗热震的新型涂层质料,, ,,,,,并建设多耦合条件下的侵蚀动力学模子。 。。。。。。。

2)熔盐方面:团结原位表征手艺(如高温拉曼、同步辐射)剖析熔盐/合金界面反应的动态历程,, ,,,,,探索熔盐组分与合金微结构的精准匹配战略。 。。。。。。。

3)针对工业应用中重大工况(如温度梯度、辐照情形)对侵蚀行为的耦合效应,, ,,,,,需开展长周期试验与工程验证,, ,,,,,为下一代高温熔盐系统的质料设计与寿命展望提供理论支持。 。。。。。。。

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(注,, ,,,,,原文问题:镍基合金在熔融氯盐中的侵蚀研究希望)

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