[發(fā)明專利]一種抗熔鹽腐蝕高溫復(fù)合材料及熔鹽堆堆芯結(jié)構(gòu)件

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710241930.X
• 申請(qǐng)日: 2017-04-14
• 公開（公告）號(hào): CN107034386B
• 公開（公告）日: 2018-11-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊超;黃鶴飛;周興泰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所
• 主分類號(hào): C22C19/03
• 分類號(hào): C22C19/03;C22C32/00;C22C1/05
• 代理公司: 北京德崇智捷知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11467
• 代理人: 衛(wèi)麟

本發(fā)明公開了一種抗熔鹽腐蝕高溫復(fù)合材料，屬于金屬基增強(qiáng)材料技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的抗熔鹽腐蝕高溫復(fù)合材料，以0.5～1.5 wt.%的納米碳化硅顆粒作為增強(qiáng)體，以10～20 wt.%的鉬作為添加劑，以余量的鎳作為金屬基體。本發(fā)明還公開了一種熔鹽堆堆芯結(jié)構(gòu)件。本發(fā)明復(fù)合材料可形成包含納米碳化硅顆粒的彌散強(qiáng)化，鉬原子的固溶強(qiáng)化，以及三鎳化硅納米析出相（2～5nm）的沉淀強(qiáng)化等綜合的強(qiáng)化效應(yīng)，從而大幅提高基體的力學(xué)強(qiáng)度并使所獲得的復(fù)合材料具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度特性、抗高溫輻照特性及耐氟化鹽腐蝕特性，是一款適用于熔鹽堆堆芯的結(jié)構(gòu)材料。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種抗熔鹽腐蝕高溫復(fù)合材料，屬于金屬基增強(qiáng)材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

熔鹽堆以其高固有安全性、經(jīng)濟(jì)性、不停堆換料、一回路低蒸汽壓等優(yōu)點(diǎn)被選定為第四代核反應(yīng)堆概念堆型之一。但是熔鹽堆內(nèi)高溫、強(qiáng)中子輻照及強(qiáng)腐蝕性的服役環(huán)境對(duì)堆內(nèi)合金結(jié)構(gòu)材料提出了挑戰(zhàn)。現(xiàn)有反應(yīng)堆合金結(jié)構(gòu)材料，如輕水堆、高溫氣冷堆使用的各種鐵基合金，均因鐵不耐氟化物熔鹽腐蝕而不能滿足熔鹽堆的要求。美國從上世紀(jì)50年代初開始花費(fèi)了大量人力、財(cái)力發(fā)展熔鹽堆用結(jié)構(gòu)材料，并最終由橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)開發(fā)出INOR-8合金，其商業(yè)化名稱為Hastelloy N合金。該合金在1960年代中期成功地用于ORNL的MSRE實(shí)驗(yàn)堆。

但是Hastelloy N合金的最初設(shè)計(jì)是以滿足實(shí)驗(yàn)性熔鹽堆的運(yùn)行需求為目的，其各項(xiàng)指標(biāo)都是以驗(yàn)證反應(yīng)堆能達(dá)到滿功率運(yùn)行為前提的，因此向商業(yè)化、工業(yè)化轉(zhuǎn)變過程中，其性能局限性愈發(fā)明顯。首先，反應(yīng)堆運(yùn)行過程中，中子輻照以及裂變產(chǎn)物會(huì)改變?nèi)埯}堆結(jié)構(gòu)材料的顯微組織結(jié)構(gòu)，從而極大地影響其力學(xué)和抗腐蝕性能。HastelloyN合金作為鎳基合金的一種，由于基體Ni會(huì)與中子發(fā)生嬗變反應(yīng)產(chǎn)生氦原子，這些氦原子易于在晶界聚集長大進(jìn)而形成氦泡，大幅降低材料的塑性從而導(dǎo)致合金脆化(氦脆)。Hastelloy N合金較弱的抗氦脆能力將嚴(yán)重制約熔鹽堆堆芯內(nèi)合金構(gòu)件的使用壽命。其次，ORNL報(bào)告中指出Hastelloy N合金的最高許用溫度僅為704℃，并且明確反對(duì)在堆芯內(nèi)使用鎳基合金。在堆芯中有大量的小型合金結(jié)構(gòu)件包括可以測(cè)量中子能譜、通量率、溫度的儀控管等，這些結(jié)構(gòu)件對(duì)反應(yīng)堆安全運(yùn)行和正常發(fā)電起到關(guān)鍵性作用，且不易于更換。Hastelloy N較弱的力學(xué)性能無法滿足其長期使用的需求。再次，從設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)上來講，商用熔鹽堆的運(yùn)行溫度只有達(dá)到750℃左右才能在發(fā)電效率上產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益，達(dá)到850℃才能大幅提高發(fā)電效率，并且能利用余熱進(jìn)行海水淡化和高溫制氫等聯(lián)合生產(chǎn)，從而最大程度發(fā)揮熔鹽堆的高溫綜合利用這一優(yōu)勢(shì)，但是Hastelloy N較差的高溫力學(xué)性能同樣制約了高溫商業(yè)熔鹽堆的設(shè)計(jì)和發(fā)展。

因此，需要研究一種新型材料，該材料需要具有優(yōu)于Hastelloy N的高溫力學(xué)強(qiáng)度、抗熔鹽腐蝕以及抗氦脆能力，以滿足熔鹽堆堆芯內(nèi)小型結(jié)構(gòu)件的需求，并為未來高溫商業(yè)熔鹽堆結(jié)構(gòu)材料的研發(fā)提供參考和研究基礎(chǔ)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種抗熔鹽腐蝕高溫復(fù)合材料，其兼具優(yōu)異的高溫力學(xué)強(qiáng)度特性、抗高溫輻照特性以及耐氟化鹽腐蝕特性，可滿足熔鹽堆堆芯結(jié)構(gòu)件所需的性能指標(biāo)。

本發(fā)明具體采用以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題：

一種抗熔鹽腐蝕高溫復(fù)合材料，以0.5～1.5wt.％的納米碳化硅顆粒作為增強(qiáng)體，以10～20wt.％的鉬作為添加劑，以余量的鎳作為金屬基體。

優(yōu)選地，所述納米碳化硅顆粒的粒徑為20～40納米。

優(yōu)選地，所述鉬、鎳均為平均粒徑為2～10微米的粉體。

優(yōu)選地，所述復(fù)合材料通過粉末冶金方法制備得到。

進(jìn)一步地，所述粉末冶金方法具體如下：

步驟1、將鎳粉、鉬粉和納米碳化硅顆粒按照比例混合均勻；

步驟2、對(duì)步驟1所得到的混合粉末進(jìn)行高能球磨；