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铁基及钛基合金在熔融LiCl-Li_2O中的腐蚀行为研究

屈献永  
【摘要】:使用后的核燃料—乏燃料的锂化还原技术是能够有效地减少乏燃料的体积和辐射性的一种新技术,便于其存储和管理。但是在乏燃料的处理过程中,结构材料受到熔融LiCl-Li_2O严重的腐蚀,从而阻碍了这种新技术的工业化的应用。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铁、40Cr、两种不锈钢、TiAl基金属间化合物、纯金属钛及纯钛渗氮后在熔融LiCl-Li_2O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的结构材料的选材和防护金属涂层提供有益的研究结果和实验数据。 纯铁和40Cr在750℃下,熔融LiCl-10%Li_2O腐蚀后生成了相同的腐蚀产物LiFeO_2,二者的腐蚀减重均随时间的延长而增大,且40Cr的腐蚀失重略低于纯铁。奥氏体在熔融LiCl-10%Li_2O中的耐蚀性能优于铁素体,但是差别不大。 316L的腐蚀产物为Fe的含锂氧化物(LiFeO_2和LiFe_5O_8)和Cr的氧化物(Cr_2O_3和LiCrO_2)。1Cr17的腐蚀层分为三层,分别为LiFeO_2(外层),LiFeO_2、LiCrO_2(中间层),Cr_2O_3(内层)。1Cr17比316L在相同条件下腐蚀更为严重。这和两种不锈钢的成分和组织有关系。1Cr17为单一的铁素体组织,316L为单一的奥氏体组织:316L中的Ni和Mo元素的添入提高了其抗腐蚀性能。 Ti_3Al腐蚀后生成了双层腐蚀膜,外层为LiAlO_2和Al_2O_3,内层为Li_2TiO_3和TiO_2;TiAl-5Nb腐蚀后也生成了双层腐蚀膜,外层为LiAlO_2,内层为Li_2TiO_3和TiO_2。腐蚀初期的加速腐蚀归因于LiAlO_2的快速生长;而腐蚀后期较慢的腐蚀速率是由于Ti的氧化物(Li_2TiO_3和TiO_2)构成的内层具有较好的抗腐蚀性能。Nb的加入阻碍了Ti的向外扩散,对TiAl-5Nb的抗熔盐腐蚀起了一定的作用。 纯钛在熔盐中首先发生了Ti的氧化生成TiO_2,而后转化成Li_2TiO_3。形成的Li_2TiO_3由于致密、平整,阻碍了氧和O~(2-)向基体扩散,所以腐蚀速率在后期有所减慢。采用气体渗氮法在900℃对纯Ti进行了10h的表面渗氮处理,在纯钛表面制备了30~70μm致密、连续的Ti-N化合物(TiN和Ti_2N)渗层。在空气中650℃下,采用浸没法研究了渗氮层对纯钛在熔融LiCl-Li_2O中腐蚀行为的影响。结果表明,渗氮层改善了纯钛在熔融LiCl-Li_2O中的抗腐蚀性能,这归因于渗氮层有效阻碍了氧和O~(2-)向基体内部的扩散。


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