GH3535/Inconel 625异种接头焊缝金属在熔融硝酸盐中具有优异的耐腐蚀性

《Corrosion Science》：Superior corrosion resistance of the weld metal in a GH3535/Inconel 625 dissimilar joint in molten nitrate salts

　　

研究人员通过静态浸泡试验，结合对母材（base metals, BMs）和焊缝金属（weld metal, WM）的扫描电子显微镜/能谱分析（SEM/EDS）、电子背散射衍射（EBSD）、掠入射X射线衍射（GIXRD）以及透射电子显微镜/高分辨透射电子显微镜（TEM/HRTEM）表征，研究了GH3535/Inconel 625异种焊接接头在熔融硝酸盐中的腐蚀行为。平均腐蚀深度顺序为：WM 2内层（提供有限保护），呈现出较差的耐腐蚀性。相比之下，Inconel 625 BM得益于连续的Cr₂O₃内层，但其细晶微观结构增加了扩散路径，部分抵消了热力学优势。WM表现出最佳的耐腐蚀性，这归因于其粗晶、少析出相的微观结构（限制了快速扩散路径和局部电化学不均匀性），同时形成了连续的Cr₂O₃-MoO₂复合内层，该内层在当前腐蚀条件下未出现明显裂纹。这些结果表明，异种焊接接头的整体腐蚀性能受氧化物成分和微观结构的共同作用所控制，为先进熔盐堆系统中结构材料的选择提供了机理见解。

**论文解读：GH3535/Inconel 625异种焊接接头在熔融硝酸盐中的腐蚀行为**

**研究背景与问题**
第四代先进核能系统，特别是熔盐堆（MSR），因其低碳能源潜力而备受关注。在MSR多回路设计中，一次和二次回路使用熔融氟化物盐作为燃料载体和冷却剂，而三次回路采用熔融硝酸盐（如60 wt% NaNO₃-40 wt% KNO₃）以实现高效热传递和氚捕获。GH3535合金因其在熔融氟化物盐中的优异性能，被选为一次和二次回路的主要结构材料，但其相对较低的Cr含量（约7 wt%）不足以在硝酸盐中形成稳定保护性钝化膜，导致腐蚀内层主要由不连续多孔MoO₂颗粒组成，保护作用有限。相比之下，Inconel 625合金具有较高Cr含量（约22 wt%），可形成连续Cr₂O₃内保护层，在硝酸盐中表现出更好的耐蚀性。因此，三次回路选用Inconel 625，这不可避免地引入了GH3535与Inconel 625异种焊接带来的腐蚀挑战。异种焊接接头的腐蚀行为因焊接热循环和元素稀释导致的成分梯度与微观结构变化而显著复杂化，但在硝酸盐环境中，成分控制的氧化保护性与微观结构控制的传输及局部异质性之间的竞争关系尚未明确，这阻碍了对接头长期性能的评估。因此，研究人员开展本研究，旨在阐明GH3535/Inconel 625异种焊接接头在熔融硝酸盐中的腐蚀机理，为先进MSR结构材料设计提供指导。该论文发表在《Corrosion Science》。

**主要关键技术方法**
研究人员采用静态浸泡试验（500 °C，500 h，60 wt% NaNO₃+40 wt% KNO₃）对商业GH3535（2 mm厚）和Inconel 625（1.5 mm厚）板材经ERNiMo-2焊丝气体钨极氩弧焊制备的对接接头进行腐蚀。结合扫描电子显微镜（SEM，配备能谱分析EDS）、电子背散射衍射（EBSD）、掠入射X射线衍射（GIXRD）以及透射电子显微镜（TEM，包括高分辨HRTEM和扫描透射STEM）对腐蚀前后母材和焊缝金属进行多尺度表征。通过聚焦离子束（FIB）制备TEM薄片，并用电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES）分析熔盐成分。

**研究结果**

**3.1 腐蚀前后焊接接头的微观结构**
通过SEM和EBSD观察，腐蚀前GH3535母材（BM）为完全再结晶等轴奥氏体组织，平均晶粒尺寸约60 μm，晶界和晶内分布富Mo碳化物。Inconel 625 BM由更细晶粒（平均约30 μm）组成，沿轧制方向分布不规则富Nb颗粒和少量富Ti氮化物。焊缝金属（WM）呈现典型凝固组织，粗大柱状晶（约200 μm），晶界密度显著低于两种母材，无可见析出相，成分介于两种母材之间（Cr约13.2 wt%，Mo约12.5 wt%）。腐蚀后宏观形貌显示，试样表面覆盖致密黄褐色腐蚀产物，重量变化极小（增重0.01 mg/cm²）。ICP-AES分析表明，熔盐中Mo、Ni、Cr、Fe浓度均低于检测限（1 ppm），说明未发生显著选择性溶解。SEM和EBSD显示，腐蚀层深度统计：GH3535 BM平均约475±324 nm，Inconel 625 BM约341±101 nm，WM最低（249±98 nm），且WM深度分布最集中。热影响区（HAZ）腐蚀深度与相邻母材相当。截面SEM及EDS分析表明，所有区域腐蚀层均为双层结构，外层富Ni、Fe、O，内层成分因区域而异：GH3535 BM内层富Mo（MoO₂），Inconel 625 BM内层富Cr（Cr₂O₃），WM内层同时含Cr和Mo。

**3.2 腐蚀产物的精确相鉴定**
通过GIXRD和TEM/HRTEM分析，GH3535 BM的腐蚀外层由NiO和NiFe₂O₄组成，内层为不连续MoO₂纳米颗粒。Inconel 625 BM的腐蚀外层为NiO和NiFe₂O₄，内层为连续Cr₂O₃薄膜。WM的腐蚀外层同样为NiO和NiFe₂O₄，内层为连续Cr₂O₃基体上弥散分布MoO₂纳米颗粒的复合结构，且未观察到明显裂纹。晶格失配计算表明，MoO₂与Cr₂O₃界面呈半共格关系（失配度约1.72%），远小于MoO₂与γ基体的失配度（约16.77%），这解释了MoO₂嵌入Cr₂O₃内层后未破坏其连续性。

**讨论部分总结**
讨论指出，氧化层成分决定热力学保护性：GH3535 BM因低Cr含量形成不连续MoO₂内层，导致腐蚀深度大且分布宽；Inconel 625 BM的高Cr含量形成连续Cr₂O₃内层，有效阻挡氧向内扩散；WM的MoO₂-Cr₂O₃复合内层具有与纯Cr₂O₃相似的阻挡能力。微观结构起关键动力学作用：Inconel 625 BM的细晶增加了晶界密度，提供了更多快速扩散通道，部分抵消了Cr₂O₃的热力学优势；而WM的粗大柱状晶和极少的析出相显著降低了扩散路径和局部电化学不均匀性，使得复合内层生长更均匀稳定。因此，WM的优异耐蚀性是氧化物成分和微观结构协同作用的结果。

**研究结论（翻译）**
(1) 平均腐蚀深度顺序为GH3535母材 > Inconel 625母材 > 焊缝金属，焊缝金属表现出最低的腐蚀深度。
(2) 所有区域均形成双层腐蚀层，内层主要决定耐蚀性。焊缝金属中的MoO₂-Cr₂O₃复合结构及Inconel 625母材中的连续Cr₂O₃层均可作为有效扩散阻挡层，而GH3535母材中的不连续MoO₂仅提供有限保护。
(3) 焊缝金属较低的腐蚀深度归因于其粗晶、少析出相的微观结构，减少了快速扩散路径和局部不均匀性。
(4) 总体而言，异种焊接接头的腐蚀行为由氧化物热力学稳定性和微观结构控制的扩散共同决定，焊缝金属的性能体现了这些因素的相互作用。