哈氏合金表面纯镍镀层的制备与性能研究

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熔盐堆(Molten Salt Reactor,MSR)是第四代先进核反应堆候选堆中唯一的液体燃料反应堆,具有热转化效率高、固有安全、核燃料可持续利用等诸多优点。具有优异综合性能的哈氏合金被公认为是最适于熔盐堆回路的金属结构材料。但高温、强腐蚀环境对材料的要求非常苛刻,因此,通过在哈氏合金表面施加防护涂层以提高其耐熔盐腐蚀性能,是保证其能在MSR中长期稳定运行的有效解决途径之一。本论文主要采用电镀技术(直流电镀、双脉冲电镀)在哈氏合金表面制备了纯镍镀层,利用自主搭建的腐蚀装置进行了静态腐蚀实验,采用XRD、SEM、失重腐蚀法、显微维氏硬度计等表征分析了对哈氏合金基材和镀镍层的物相组成、显微组织、腐蚀行为、表面显微硬度,以期为熔盐堆用哈氏合金表面制备高温耐蚀涂层的工程应用提供实验依据和理论参考。主要结论如下:(1)直流电镀制备的镀镍层晶粒不均匀,镀层厚度仅为30μm,镀层/基体结合较好,镀层与基体交界处存在过渡层(0.3μm);经热处理后,晶粒尺寸由1~4μm长大为5~7μm,镀层与基体过渡层消失,镀层厚度增加(33.5μm)。在双脉冲电镀方式下,随着正向电流密度和正向周期的增加,镀层厚度均呈增大趋势,显微硬度先增后减;正向电流密度为30A/dm2,正向周期为70ms时镀层硬度值最大(483.06HV)。镀层的生长方式是晶核形核并长大的过程。(2)双脉冲镀镍层为纳米晶,光亮致密,大量的细密晶粒聚合在一起形成较大的胞状结构,镀层厚度(135μm)分布均匀;经熔盐腐蚀后,镀层表面出现裂纹,但未脱落,基体未被明显腐蚀。镀镍层经热处理后纳米晶尺寸增大,胞状晶粒结构消失,镀层厚度增加(140μm),镀层/基体结合更为致密;经熔盐腐蚀后,镀层呈轻微的均匀腐蚀特征,有效阻止了基体中Cr元素向氟盐中的扩散和溶解。(3)哈氏合金基材经熔盐腐蚀后呈典型的沿晶腐蚀特征,腐蚀前由γ-Ni和Mo等物相组成,腐蚀后基材新析出Cr1.12Ni2.88相,经900℃、100h熔盐腐蚀后,腐蚀失重为0.0837mg/mm2。双脉冲镀镍层腐蚀前主要由γ-Ni和Cr2Ni3等物相组成,腐蚀后Cr2Ni3转变为Cr1.12Ni2.88相,而经热处理的镍镀层腐蚀前后均仅含γ-Ni相。镀镍层原始试样和热处理试样的腐蚀失重分别为0.0532mg/mm2和0.0324mg/mm2,原始试样腐蚀速率为基材的3/5,而热处理试样腐蚀速率为基材的2/5,热处理双脉冲镀镍层更有效的提高了哈氏合金的耐熔盐腐蚀性。
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