熔盐腐蚀与质子辐照对Ni-20Cr合金晶界强度的协同作用

《Materials Characterization》：Synergistic effects of molten salt corrosion and proton irradiation on grain boundary strength in Ni-20Cr

熔盐腐蚀与质子辐照对镍基合金晶界机械性能的影响：采用Ni-20Cr合金模型，在氟化盐熔盐中同时进行腐蚀和质子辐照，通过横截面SEM、STEM-EDX和原位推-拉微拉伸测试，发现腐蚀空洞是晶界失效的主因，与辐照无关。辐照可能通过促进自修复扩散减少腐蚀空洞，使晶界屈服强度降低（腐蚀+辐照组816 MPa vs. 单纯腐蚀组1049 MPa）。

　　本研究围绕镍基合金在熔盐环境中的机械性能变化，特别是其晶界（GB）的机械强度和断裂行为，进行了深入探讨。随着高温熔盐技术在能源和化工领域的应用日益广泛，其在核裂变和聚变反应堆系统中展现出巨大的潜力。然而，熔盐腐蚀与辐射效应对材料微观结构的影响仍是当前研究中的一个关键挑战。本文通过使用Ni-20Cr模型合金，在模拟反应堆环境的条件下，研究了熔盐腐蚀与质子辐照对晶界机械性能的协同作用。实验结果显示，无论是否受到质子辐照的影响，腐蚀所引起的空洞是晶界失效的主要因素，而辐照可能通过增强材料的自愈能力，对晶界处的腐蚀行为产生一定的抑制作用。

在核能应用中，熔盐被广泛用作燃料和冷却剂，尤其在熔盐反应堆（MSRs）中，其高被动安全性和热效率吸引了众多研究者的关注。然而，熔盐对结构材料的腐蚀问题依然严峻，这不仅影响材料的服役寿命，还可能引发早期失效。特别是在高温熔盐环境中，腐蚀通常表现为溶解，其程度取决于各元素在金属和卤化物形式之间的相对自由能变化。镍基合金因其在高温下的良好机械性能和对氟化物腐蚀的天然抵抗力，成为这类环境中的优选材料之一。然而，镍基合金在熔盐中容易发生选择性溶解，尤其是铬（Cr）和铁（Fe）等非镍元素的流失，导致晶界区域的化学成分异质性加剧，从而影响材料的机械性能。

为了更全面地评估熔盐腐蚀对晶界强度的影响，本文引入了一种创新的“推-拉”（Push-to-Pull, PTP）微尺度拉伸测试方法，结合电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）技术，对材料的微观结构进行了详细表征。该方法能够更准确地识别晶界区域的机械性能变化，并有效避免传统实验中因样品制备困难而带来的偏差。在实验中，研究者使用EuF?作为电化学缓冲剂，以模拟UF?基氟化物盐的特性，同时避免了其固有的放射性影响。通过这种方式，研究团队能够在不引入额外辐射损伤的前提下，对材料的腐蚀行为进行精确模拟。

在实验过程中，样品首先被置于熔盐环境中，进行一定时间的腐蚀处理，随后受到质子辐照。通过调整实验参数，确保辐照剂量与实际反应堆环境相符，从而模拟真实的服役条件。在腐蚀过程中，材料表面形成了明显的腐蚀空洞，这些空洞往往位于晶界附近，并随着腐蚀的加剧而扩大。在辐照条件下，材料的晶界区域表现出不同的行为特征，例如晶界迁移（DIGM）和元素分布的变化。这些变化不仅影响了晶界处的化学组成，还对材料的机械性能产生了深远的影响。

为了实现对晶界强度的精确测量，研究团队开发了一种特殊的样品制备技术。该技术的关键在于提取出具有代表性的晶界区域，并将其制成适用于PTP测试的薄片样品。通过精确控制样品的倾斜和旋转角度，确保晶界平面与拉伸方向垂直，从而提高测试的准确性和可重复性。此外，为了减少晶界周围晶粒尺寸对测试结果的影响，研究者还对样品进行了优化处理，以确保晶界区域的完整性。这种样品制备方法在实验中取得了良好的效果，使得晶界强度的测量更加可靠。

在实验结果中，研究者发现腐蚀诱导的空洞是导致晶界失效的主要因素。无论是否受到质子辐照的影响，这些空洞都会在晶界处形成，并成为裂纹扩展的起点。相比之下，辐照似乎对晶界处的腐蚀行为产生了一定的抑制作用，这可能与辐照增强的扩散效应有关。质子辐照能够促进Cr和Ni原子向晶界迁移，从而减少晶界处的空洞形成，提高材料的抗脆性能力。然而，这一效应并非绝对，且其影响程度受到多种因素的制约，如辐照剂量、材料组成和腐蚀环境等。

通过分析不同区域的晶界强度数据，研究团队发现，同时受到腐蚀和辐照的样品表现出较低的屈服强度，这可能与晶界处的空洞数量和分布有关。同时，研究者还发现，辐照条件下晶界区域的Cr含量相对较高，而Ni含量则有所下降。这一现象表明，辐照可能在一定程度上缓解了腐蚀过程对晶界处Cr元素的耗损，从而提高了材料的机械性能。然而，由于实验样本数量有限，这些结论仍需进一步验证。

在对断裂模式的分析中，研究者发现，腐蚀诱导的空洞对材料的断裂行为具有决定性影响。对于同时受到腐蚀和辐照的样品，其断裂模式更倾向于延展性断裂，而纯腐蚀样品则表现出更高的脆性。这一现象可能与晶界处的空洞密度和分布有关，同时受到辐照带来的自愈效应的影响。此外，研究者还发现，尽管辐照可能对晶界处的腐蚀行为产生一定的抑制作用，但其对材料整体机械性能的影响仍然较为有限。这可能是因为辐照剂量较低，不足以显著改变材料的微观结构和化学组成。

为了更深入地理解这些现象，研究团队结合了电子背散射衍射（EBSD）和扫描电子显微镜（SEM）等技术，对材料的微观结构进行了全面分析。这些技术不仅能够识别晶界类型和位置，还能够揭示晶界处的元素分布和迁移行为。研究结果表明，晶界迁移和元素扩散是影响材料机械性能的重要机制，而这些过程在辐照条件下可能被显著改变。例如，辐照可能通过促进Cr和Ni原子的迁移，减少晶界处的空洞形成，从而提高材料的延展性和抗脆性能力。

本文的研究结果对未来的材料设计和工程应用具有重要的指导意义。在熔盐反应堆等高温高辐射环境中，材料的晶界性能是决定其服役寿命的关键因素。因此，理解腐蚀与辐照的协同作用，有助于优化材料的组成和结构，以提高其在极端环境下的稳定性。此外，本文提出的方法为后续研究提供了新的思路，尤其是在如何准确评估晶界强度和断裂行为方面。通过结合先进的显微技术与微尺度力学测试，研究者能够更全面地揭示材料在复杂环境下的响应机制。

综上所述，本文通过系统的研究方法，揭示了熔盐腐蚀与质子辐照对镍基合金晶界性能的协同影响。研究结果表明，腐蚀诱导的空洞是导致晶界失效的主要因素，而辐照可能通过促进材料的自愈能力，减轻腐蚀对晶界的影响。然而，由于实验条件的限制，这些结论仍需进一步验证和拓展。未来的研究可以考虑在更大的样本量和更广泛的实验条件下进行，以更全面地理解腐蚀与辐照的相互作用机制，并为材料的优化设计提供更可靠的依据。