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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钻延转—兼论Ni-Cr-Mo涂层与电解纯化技术的协同防护效力

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颁布功夫:2025-09-20 10:56:00 浏览次数 :

氯化物熔盐系统因其怪异的物理化学个性,在冶金、能源和核能等领域持续占据沉要职位。作为一类典型的高温离子导体,该类熔盐展示出卓越的离子电导率、宽泛的液态温度区间以及优良的化学惰性,这为其在传统工业与新兴技术中的多元化利用奠定了物理化学基础。在电化学冶金领域,氯化物熔盐作为碱金属(锂、钠、铷)及高活性稀土的出产介质,其规;缃夤ひ找咽迪止ひ导独肹1]。同时,在电镀领域,氯化物熔盐凭借其优异的金属离子溶化能力,被宽泛用作电沉积造备耐蚀性涂层的电解质介质[2]。

在核能技术发展过程中,氯化物熔盐因其低中子吸收截面和优异的热力学不变性,被确定为第四代熔盐堆(MSR)候选冷却剂及核燃料载体,并在核燃料处置及回收方面展示出怪异的技术优势[3]。值妥贴心的是,与硝酸盐熔盐相比,氯化物熔盐系统不仅拥有相近的热物理参数、同使毓现出更优的热不变性(>800℃)和更低的成本。近年来,随着聚光太阳能热发电(CSP)技术、熔盐冷却核反映堆以及工业余热梯级利用系统的急剧发展,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,氯盐系统在极端前提下的侵蚀性严沉造约其工程化发展[6-7]。无论是作为电解质的传统利用领域,还是作为传储热资料的新型利用中,熔盐与结构资料界面反映均会导致资料遭逢严沉的侵蚀,进而引发设备寿命衰减与安全隐患。

镍基合金是卤化物熔盐中最耐侵蚀的资料之一,相较于不锈钢,镍基合金在高温力学机能和抗侵蚀性方面拥有显著优势,是氯化物熔盐系统结构资料的首选资料[8-9]。因而,针对镍基合金在氯盐环境中的侵蚀动力学、界面演化法规及防护战术的系统钻研,成为突破高温熔盐技术瓶颈的关键。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、影响成分及防护步骤,为新一代的耐蚀合金的开发提供理论支持。

1、侵蚀机造

合金资料在熔盐环境中的侵蚀行为与熔盐系统的化学组成存在亲昵关联。理论上,NaCl、KCl和MgCl2等纯氯化物熔盐是不能直接氧化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更不变[10]。但大量钻研批注,熔盐侵蚀过程不仅受熔盐自身成分节造,熔盐中存在的杂质(O2、H2O)也会加快合金的侵蚀过程。

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1.1阳极溶化–氯化–氧化机造

在氯化物熔盐系统中,“氯化–氧化”循环(又称活性氧化机造)作为典型熔盐本征侵蚀机理被宽泛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溶化,形成金属离子;熔盐中溶化的氧离子或大气中的氧气与金属离子反映天生金属氧化物(式1):

M2++x/2O2→MO(1)

M代指Fe、Cr、Ni等金属元素。

熔盐中Cl?通过渗入诱发金属氧化物产生氯化反映(式2):

MO+2Cl?→MCl2+O2?(2)

凭据氯化反映,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]。

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

MCl2+O2→MO+Cl2(3)

新天生的Cl2扩散回合金表表参加阴极还原反映(式4):

Cl2+2e→2Cl?(4)Cl?

持续诱发金属氧化物的氯化反映,至此,形成“氯化–氧化”循环。

对于金属原子的阳极溶化过程,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产生选择性阳极溶化[15]。

1.2杂质驱动侵蚀机造[7,16-17]

在高温氯化物熔盐系统中,不成预防线含有来自原料盐或环境空气中的H2O和O2[18]。如若熔盐中含有亲水氯化物,如MgCl2,其易与环境中的水分子结合形成水合物MgCl2.H2O。该水合物在高温环境下通过水解反映分阶段分化(式5、6):

MgCl2.H2O→MgOHCl+HCl(5)

MgOHCl→MgO+HCl(6)

天生的HCl作为关键侵蚀介质,与合金中金属元素(如Fe、Cr等)产生反映(式7),引发Cr等活性元素的选择性溶化,并导致纯化膜;げ愕慕峁故В

M+xHCl→MClx+x/2H2(7)

Cl2作为主题侵蚀介质,通过怪异的“氯化–氧化”循环机造(式8、9)持续再生:

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反映沉新天生Cl2,成立侵蚀循环。

但是,LIU等通过热力学推算预测在氯化过程天生了CrCl4向表扩散[19-20],其反映如下:

MgO+Cr2O3→MgCr2O4(10)

2MgCr2O4+8MgCl2+O2→4CrCl4+10MgO(11)

CrCl4+O2→CrO2Cl2+Cl2(12)

值妥贴心的是,MgCl2的含量会影响氯化过程,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,氯化反映更严沉[21]。

侵蚀产品的演变过程也会进一步加剧侵蚀,由MgOHCl分化形成的MgO会沉积在合金表表,形成一层;つ;而MgO与Cr2O3反映会天生防护性较差的MgCr2O4尖晶石结构,最终形成双层氧化膜(表层为MgO,内层为MgCr2O4)[7,16]。但是,由于CrCl3的扩散会引起应力集中,导致出现“壳分裂效应”,会加快MgO膜的裂纹和剥落[22-23]。因而拥有侵蚀性的氯离子会迅速向内扩散并侵蚀金属基体。

2、影响侵蚀行为的成分

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映物的化学不变性的沉要成分。GHAZNAVI等[24]通过系统钻研铁基与镍基合金在熔融氯盐中的侵蚀动力学差距,揭示了温度梯度对侵蚀机造的调控效应。低温阶段(<500℃)侵蚀受界面反映节造,Fe元素选择性溶化形成各向同性微孔结构;中温区(500~700℃)晶界脱合金变得显著,晶界扩散加快了侵蚀,出现沿晶界的优先侵蚀;高温阶段(>700℃)晶格扩散主导致密化孔隙成长,侵蚀出现一维隧路状结构,同时晶间侵蚀依然存在,尤其在高温下晶界侵蚀更为深刻。温度升高不仅加快CrCl3挥发,还通过扰爪力诱发;ば訫gO/Cr2O3膜层分裂,促使Cl?沿裂纹渗入引发自加快侵蚀循环。GUO等[25]也在316不锈钢在纯化的NaCl-MgCl2熔盐中观察到晶间侵蚀景象,随着温度升高,晶间侵蚀加剧,最大侵蚀深度从600℃时的13μm增长到700℃时的67μm。

YANG等[22]钻研发现,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。随着温杜咨700℃上升到900℃,MgO;げ愕牟槐湫韵灾德,容易产生脱落,这导致侵蚀介质更容易接触到金属基体,加快了侵蚀过程。

凭据GOMEZ-VIDAL等[26]的钻研,Incoloy800H合金在氯盐中温杜咨650℃升至700℃时阐发出显著的侵蚀动力学扭转,其侵蚀速度出现141%的增长。值妥贴心的是,即便在惰性氮气空气前提下,温度梯度对合金的侵蚀仍拥有显著推进作用。温度的升高推进了离子扩散速度的提升,进而加快了氯化反映过程。Cr优先通过选择性溶化形成挥发性CrCl3产品,造成表表Cr的严沉贫化及非;ば訬i-Fe-Cr-O混合氧化物的成长,形成拥有多孔个性的氧化层。

GORE等[27]系统钻研了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。钻研批注,温度升高加快合金的侵蚀过程,电化学阻抗谱分析显示,侵蚀过程受氧化物层中离子扩散节造,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映动力学。同时,该钻研指出熔盐环境中Cl?的强渗入性粉碎了传统Cr2O3;げ愕牟槐湫,而Al的内氧化网络未能有效抑造侵蚀扩大。Inconel600合金在NaCl-KCl熔盐中700~900℃的领域内,侵蚀电流密度(Icor)r从700℃的0.115mA/cm2升至900℃的0.730mA/cm2。微观分析批注,700~800℃时Cr、Fe优先溶化形成多孔结构(深度200~700μm),而900℃下表表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的高热力学不变性抑造Cl?渗入。高温下Cr氧化物与Ni基体的协同效应可延缓侵蚀过程,为高Ni含量合金在极端温度下的利用提供了理论支持。

2.2熔盐组分

熔盐组分决定了盐的氧化还原个性,并显著影响资料的侵蚀偏差。其通过调节Cl?的配位环境和氧化物离子的不变性影响侵蚀动力学。VIGNAROOBAN等[29]钻研在分歧比例的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度会有肯定的影响,优化熔盐中离子型(NaCl/KCl)与共价型(ZnCl2)氯盐的比例,可有效调控Cl?配位环境,从而改善合金表表钝化膜的不变性。

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固然通常以为氯离子在熔盐侵蚀中侵蚀起主导作用,但是近年钻研证实阳离子种类及比例对资料的侵蚀行为阐扬着不成忽视的作用。ZHU等[30]通过系统钻研Inconel625在900℃分歧氯盐系统中的侵蚀行为,钻研批注,碱土金属氯化物(MgCl2、CaCl2)相较于碱金属氯化物(NaCl、KCl)阐发出更强的侵蚀性。DUAN等[31]进一步揭示其机造:MgCl2因其强吸湿性会通过水解反映产生大量HCl,加快基体侵蚀。

侵蚀产品中天生的MgO与Cr2O3反映形成防护性较差的MgCr2O4尖晶石结构,无法有效阻隔侵蚀介质扩散。相较之下,NaCl-KCl-CaCl2系统中CaCl2的低吸湿性抑造了HCl天生,合金表表形成以NiFe2O4和

FeCr2O4为主的层状氧化物层,展示出优异的阻隔机能。

熔盐组分对O2?配位结构的调控是影响侵蚀动力学的另一关键成分。SUZUKI等[32]通过高温拉曼光谱和密度泛函理论(DFT)推算发现,在NaCl-KClMgCl2熔盐中,Mg2+与O2?形成Mg-2O-2Na复合体(拉曼峰750cm?1),其拥有较大空间结构导致O2?扩散受限,从而加快了合金在NaCl-KCl-MgCl2熔体中的侵蚀速度;而在NaCl-CaCl2熔盐中,O2?以[NaO]?单体存在(拉曼峰492cm?1),其结构单一空间结构更幼,这种单体急剧扩散推进形成陆续氧化层,从而降低界面反映速度。

2.3环境空气

ABRAMOV等[33]对比HastelloyG35在NaCl-KCl熔盐中在氩气和氧气两种空气下的侵蚀行为,钻研发现,在含氧空气前提下,合金的侵蚀速度较惰性氩气环境显著提高,且侵蚀描摹未出现晶界部门化特点,而是以表表整体均匀侵蚀为主导模式。这种非选择性侵蚀过程与氧诱导的氧化-氯化协同作用反映亲昵有关,具体阐发为熔盐中O2?活度升高加快了Cr2O3;げ愕娜芑,同时Cl?通过吸附竞争减弱了钝化膜的再建复能力。

XU等[20]通过钻研Inconel625合金在NaClCaCl2-MgCl2三元熔盐系统中的高温侵蚀行为进一步揭示,空气空气下溶化氧与H2O通过协同作用加快侵蚀:O2推进Cr氧化,而H2O引发MgCl2水解天生 MgOH+和HCl,两者协同粉碎表表氧化层。此时形成的MgCr2O4尖晶石;げ憧刹棵乓衷霤l?渗入,但高MgCl2含量(>30%,摩尔分数)加剧水解。相比之下,N2空气中O2分压降低,虽抑造MgCr2O4天生,但残存H2O仍促使MgCl2水解,诱导;げ悴棵趴,引发晶间侵蚀。

在熔融氯盐系统NaCl-KCl-ZnCl2中,ZHUANG等[34]发现,镍基合金在氩气空气中阐发出更优的耐蚀性,其表表形成致密的Cr2O3/NiO复合氧化层,展示出优异的自;じ鲂。氩气环境抑造了Cr的优先溶化,推进;ば约饩啵ㄈ鏝iCr2O4)的形成。

In718在氩气中甚至出现质量增益景象。LIU等[35]在空气空气下与之一样的氯盐系统中进行对比试验,发现镍基合金侵蚀显著加剧?掌醒醴盅沟纳咄平薋e/Ni氧化物的天生,同时加快了;ば訡r2O3层的热力学分化,导致侵蚀产品以疏松的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,促使金属基体持续溶化。

2.4合金成分

合金元素的活性对于加快或者抑造合金在熔盐中侵蚀起沉要作用。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通常被以为是耐侵蚀合金的组分之一,但是氯化物熔盐中Cr2O3氧化膜在氯盐中容易遭到粉碎,难以提供;。有钻研批注,合金中铬含量对熔融氯盐环境下的侵蚀行为出现阈值效应。GUO等[25]发现,当铬含量超过15%(质量分数)时,合金侵蚀速度显著增长,阐发为点蚀坑归并及晶间裂纹扩大。高铬合金(≥15%,质量分数)表表初期形成的MgCr2O4尖晶石层可临时抑造Cl?渗入,但随着露出功夫耽搁,;げ阋駽l?持续侵蚀产生陆续性退化。钻研明确指出,单纯提高铬含量反而加剧侵蚀危险,需将铬含量节造在12%~14%(质量分数),同时优化Cr散布均匀性及合金微观结构以提升合金耐蚀性。LIU等[19]对比镍基合金Inconel625、HastelloyX和HastelloyB-3在熔融NaCl-CaCl2-MgCl2盐中的侵蚀行为。钻研批注,Inconel625合金在熔融NaCl-CaCl2-MgCl2盐

中的耐侵蚀机能最优。Cr的向表扩散导致内侵蚀层中Cr贫乏区域的形成,而MgCr2O4;げ愕男纬上灾岣吡撕辖鸬哪颓质葱。只管HastelloyB-3合金中Ni和Mo含量较高,但由于Cr含量较低,其耐侵蚀机能较差。肯定量的铬含量能够提高镍基合金在氯化熔融盐中的耐侵蚀性。SUZUKI等[32]利用电化学测试对Inconel600、InconelX750、HastelloyC-276和Incoloy800等四种合金在熔融氯盐中的耐侵蚀性进行钻研。发现高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优先溶化导致晶间侵蚀加剧,加快了侵蚀速度。Mo也是耐侵蚀合金沉要组分之一,但其对合金在氯盐中耐侵蚀性的作用也存在肯定争议[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℃下进行100~1000h侵蚀试验。了局发现,Inconel625中的Mo与Nb通过固溶强化作用提升了钝化膜自建复能力,而Haynes230中的W与Mo协同作用显著加强了晶界不变性,其怪异的W-Cr-Mo复合氧化层在持久露出中展示出优异的抗剥落个性。由于W加强了晶界的不变性,Haynes230中Cr的偏析深度维持不变。

LIU等[19]揭示Mo在镍基合金熔融氯盐侵蚀中通过协同钝化机造提升耐蚀性。钻研批注,高Mo低Cr的HastelloyB-3合金中,Mo优先氧化天生热力学不变的MoO2,MoO2优先溶化能够亏损氧气并抑造NiO的溶化[11]。但受限于Cr含量不及,Mo的钝化作用需与Ni协同调控,然而,与Inconel625和HastelloyX相比HastelloyB-3合金侵蚀最严沉。YANG等[22]钻研指出Cr和Ni等元素优先向合金表表扩散并进入熔融盐中,导致表表出现空位,Mo由于其较大的原子序数和较慢的扩散速度,在表表富集并形成MoO3。

MoO3通过扭转钝化膜的离子选择蹊径,故障Cl?的侵入,从而对表表起到部门;ぷ饔,但MoO3的保 护作器拥有不陆续性,仅能覆盖部门表表,其他区域仍易受侵蚀。DOLE?AL等[38]通过第一性道理推算钻研发现,在Ni-W-Nb合金中,Cl优先吸附在Nb上,Nb和W的存在使合金表表形成热力学上更有利于Cl吸附的区域,且这些区域对Cl推进的溶化过程拥有较高抵抗力。WENG等[39]钻研发现,在合金中参与Nb可推进侵蚀过程中形成不变的Nb2O5氧化物,其作为结构黏合剂弥合Cr2O3与Al2O3的界面间隙,形成陆续致密的复合氧化层,有效阻隔Cl?和O2?的渗入。同时,Nb在基体/氧化层界面富集,通过降低Cr3+的扩散系数抑造元素表迁,并削减氧在合金中的溶化度,从而延缓氧化动力学过程。但是也有钻研以为Nb会推进侵蚀,WANG等[40]在镍基合金793K的NaCl-MgCl2共晶熔盐中侵蚀行为钻研中发现,Nb在GH4169合金中通过形成富含Nb的δ相,加剧了资料的侵蚀敏感性。δ相与基体γ相的相界成为熔盐优先侵蚀的蹊径,导致侵蚀层急剧扩大和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造,现有钻研尚未系统说明。这重要源于两方面成分:其一,试验系统差距(如熔盐组成、氧含量节造精度、温度场散布)导致侵蚀动力学行为不成直接对比;其二,多元合金中元故旧互作用复杂,当前钻研多聚焦单一元素作用,对各元素的跨尺度耦合机造仍不足普适性理论模型。

3、防护技术

3.1氯盐纯化

3.1.1热纯化法

热纯化法是基于MgCl2水合物的蒸气压个性,选取设计的温度和停顿功夫分步加热去除MgCl2水合物中的水分,削减水解产品(MgOHCl)[41]。FERN?NDEZ等的钻研批注,通过热纯化处置三元氯盐系统(55.1%MgCl2-24.5%NaCl-20.4%KCl,质量分数),使304不锈钢在720℃氮气环境中的侵蚀速度降低67.8%,同时诱导形成MgCr2O4尖晶石;げ,从而协同提升资料的高温耐蚀机能[42]。但此步骤无法齐全预防杂质残留(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

增长金属缓蚀剂,在盐中增长较为活跃的金属,优先被侵蚀亏损,削减盐中的杂质。例如,向含熔融氯化物的LiCl中参与锂金属[43]或在含熔融氯化物的MgCl2中参与镁金属[10]作为侵蚀抑造剂。DING等在700℃的MgCl2-NaCl-KCl熔盐中增长质量分数1%的Mg作为侵蚀抑造剂,可使贸易Cr-Fe-Ni合金的侵蚀速度降低70%以上[7]。但是YU等[44]发现过量增长的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,加快合金侵蚀反映。凭据盐中侵蚀性杂质的含量增长适量的Mg,预防高温Mg与含Ni合金直接接触可预防此类侵蚀[46]。

3.1.3电化学净化

电解法结合Mg阳极和脉冲电位,去除盐中的MgOH+杂质,削减Cl2天生并预防电极钝化。DING等[10]利用镁阳极电解的步骤去除NaCl-KCl-MgCl2熔盐中导致侵蚀的MgOH+,试验批注,未纯化盐中Incoloy800H的侵蚀速度为1550μm/a,纯化后降至310μm/a,侵蚀速度降低80%,该步骤可有效耽搁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机能。

Ni-Cr合金涂层因在表表形成致密的;ば缘腃r2O3氧化层而阐发出抗高温氧化和耐侵蚀个性,其作为高机能防护涂层被宽泛利用于低铬合金基体资料的表表改性。PORCAYOCALDER?N等[47]选取超音速火焰喷涂(HVOF)工艺造备的Ni20Cr涂层,在ZnCl2-KCl熔盐中形成的致密Cr2O3/NiO复合氧化层结构,可有效阻隔Cl?渗入,而Ni的高热力学不变性进一步抑造了金属氯化物的天生。WANG等[48]发现,在650℃氯盐侵蚀前提下,单纯提高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,产生横向贯通裂纹;而增长Mo的Ni-Cr-Mo涂层通过形成陆续Mo富集层有效抑造Cl?渗入,其中Inconel625涂层因NbO2短棒状氧化物的天生显著提升了NiO层的力学齐全性。进一步钻研700℃熔融NaCl-KCl系统发现,含Al的NiCrMoAl涂层展示出更优异的抗氯侵蚀机能。其表表形成的致密Al2O3层,有效抑造Cl?扩散,阐发出优于Inconel625涂层的耐侵蚀机能。同时钻研指出,Mo的枝晶间偏析形成陆续扩散樊篱,而Nb通过细化晶界和天生NbO2/NiCr2O4共晶组织,协同提升氧化层耐侵蚀机能[48-49]。

3.2.2Ni-Al合金系统涂层

相较于Cr2O3,Al2O3在高温氯盐环境中阐发出更优的不变性与Cl?阻隔能力,这使其成为抗氯侵蚀涂层的优选系统。JAFARI等[50]对比NiCr、NiAl和NiCrAlY涂层在600℃KCl熔盐环境下的高温侵蚀行为。钻研批注,NiAl涂层在KCl环境中展示出最优的耐蚀性,其通过优先氧化形成陆续Al2O3;げ,有效抑造Cl?渗入和AlCl3挥发,仅表层产生轻微Al的亏损。而NiCr和NiCrAlY涂层则经历典型的“氯化-氧化”循环机造,Cr2O3;げ阌隟Cl反映天生挥发性CrCl3及K2CrO4,导致Cr持续损耗和氧化层粉碎。SADEGHIMERESHT等[51]钻研了Ni21Cr和Ni5Al涂层在600℃含氯环境的侵蚀行为也得到一样的了局,Ni5Al涂层在600℃KCl环境中因Al2O3层抑造Cl?扩散,仅产生部门NiAl2O4混合氧化。另表,有钻研指出持久服役中Al的持续亏损可能导致涂层产生β-NiAl→γ'-Ni3Al相变,降低;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进行了深刻钻研。当Al含量为9.9%(质量分数)时,涂层表表形成致密Al2O3;げ,有效阻隔Cl?渗入,而Al含量过高(14.5%~61.1%,原子分数)则因Al与Cl?过度反映天生AlCl3,导致;げ闶Ш颓质此俣壬,注明Al/O含量平衡是;げ悴槐湫缘木龆ǔ煞諿53]。进一步钻研发现,通过多层结构设计(NiAl/Al/Si-NiAl)结合预氧化处置,可形成陆续致密的Al2O3层,其侵蚀过程出现三阶段特点:初期氧化层增厚(0~112h)、中期不变(112~162h)及后期轻微减。>162h),该结构不仅通过纯Al层提供持续Al源,同时Si的增长推进α-Al2O3相形成并抑造基体Cr表扩散[54]。进一步钻研发现,Si的适量掺杂(1.2%,原子分数)可显著提升涂层机能:一方面通过推进θ→α-Al2O3相变形成纳米晶α-Al2O3层,另一方面通过提升Cl?扩散能垒抑造熔盐渗入[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;ず辖鸩皇苈然镅巍⒘蛩嵫巍⒎八嵫蔚热垩位肪车那质碵56-59]。Cr的参与推进了;ば缘摩-Al2O3膜的形成,同时抑造Al的亏损,而稀土元素能够细化晶界抑造氧化层剥落。GOMEZ-VIDAL等[60]利用HVOF工艺造备的NiCoCrAlYTa涂层经900℃/24h预氧化处置后,在一样侵蚀环境下将310不锈钢的侵蚀速度降低至190μm/a,降幅达96%。NiCoCrAlYTa涂层通过预氧化处置形成陆续致密α-Al2O3层,有效阻隔熔盐渗入,涂层中Cr的存在推进了α-Al2O3的形核,相较于θAl2O3相拥有更低的孔隙率和更高的结构不变性。

SADEGHIMERESHT等[61]通过HVAF工艺造备NiCrAlY涂层,发显熹在600℃纯HCl/O2环境中可形成致密Cr2O3氧化层实现有效防护,但在KCl沉积的协同作用下侵蚀恶化。Al的优先氧化导致NiCr2O4尖晶石结构变动,为Cl?/Cl2沿晶界渗入提供扩散通路,进而形成CrCl3挥发并加快涂层的剥落失效。WANG等[62]进一步钻研批注,适量Mo掺杂(3%~5%,质量分数)可通过推进α-Al2O3相变和抑造Cl?渗入优化涂层抗蚀性,但过量增长会导致γ/γ'相混合及MoO3挥发问题。这揭示出NiCrAlY涂层在氯盐环境中的机能缺点重要源于Al/Cr氧化产品的结构失衡及Cl?渗入的协同作用,而过渡金属元素的协同改性是提升其耐久性的有效蹊径,其中Mo的引入既可优化氧化层致密性,又能阻断Cl?扩散蹊径,为设计抗氯侵蚀涂层提供了关键理论凭据。

4、总结与瞻望

系统综述了镍基合金在氯化物熔盐中的侵蚀机造、关键影响成分及防护战术。钻研批注,侵蚀行为重要由“氯化–氧化”循环及杂质(H2O、O2)驱动机造主导,其中MgCl2水解天生的HCl和Cl2加快Cr选择性溶化与氧化层粉碎。温度升高显著加剧晶间侵蚀与Cl?扩散,熔盐组分和气相环境(O2、H2O)通过调控Cl?活性与氧化膜不变性影响侵蚀动力学。合金成分中Cr、Mo等元素出现阈值效应:适量Cr(12%~14%,质量分数)可形成尖晶石;げ,但过量则加剧侵蚀;防护战术聚焦熔盐纯化与涂层技术,通过形成致密Al2O3/Cr2O3层阻隔Cl?渗入,但持久不变性和界面结合力仍需优化。

通过回首和总结最新钻研进展发现,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进行更深刻的探求:

1)合金方面:进一步揭示多元合金元素(如Nb、W、Si)的跨尺度协同机造,开发耐高温、抗热震的新型涂层资料,并成立多耦合前提下的侵蚀动力学模型。

2)熔盐方面:结合原位表征技术(如高温拉曼、同步辐射)解析熔盐/合金界面反映的动态过程,索求熔盐组分与合金微结构的精准匹配战术。

3)针对工业利用中复杂工况(如温度梯度、辐照环境)对侵蚀行为的耦合效应,需发展长周期试验与工程验证,为下一代高温熔盐系统的资料设计与寿命预测提供理论支持。

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(注,原文标题:镍基合金在熔融氯盐中的侵蚀钻研进展)

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