近日，中国科学院上海应用物理研究所合金研发团队取得重要进展，成功研制了性能优异的抗辐照、耐熔盐腐蚀的Y₂O₃弥散强化镍基合金。相关成果以“A potential candidate structural material for Molten Salt Reactor: ODS nickel-based alloy”为题，发表于冶金工程领域顶级期刊《Journal of Materials Science & Technology》，上海应物所李诚副研究员和雷冠虹副研究员为论文的共同第一作者，黄鹤飞研究员为论文通讯作者。
熔盐反应堆（MSR）结构材料在反应堆中面临着强中子辐照、高温和熔盐腐蚀等多重环境的挑战，根据美国橡树岭国家实验室关于熔盐实验堆（MSRE）的技术报告及上海应物所材料研究团队的前期研究结果，中子辐照嬗变产物He引起的高温辐照脆化/肿胀以及堆芯合金构件的辐照腐蚀协同损伤将导致合金力学性能劣化、构件使用寿命缩短，成为了限制熔融盐反应堆发展及高效利用的瓶颈之一。因此研发抗辐照耐熔盐腐蚀的新型合金已成为熔盐堆应用的一个重要课题。近年来，黄鹤飞研究员带领团队在前期通过在镍基合金中加入纳米SiC颗粒，采用粉末冶金的方法研制了耐辐照的碳化物弥散强化（CDS）镍基合金，受到了国际核能材料领域的广泛关注（Journal of Materials Science & Technology 31 (2015) 923; Materials & Design 90 (2016) 359）。2017年世界核新闻网站上以“熔盐堆研发的新合金”为题对该工作进行了报道。
与纳米SiC颗粒相比，Y₂O₃纳米颗粒经溶解后再析出，其颗粒更细小均匀，且在高温下更稳定，这为进一步提高合金力学性能及抗He脆能力奠定了理论基础。然而，氧化物的存在可能会导致合金的耐熔融盐腐蚀性能变差。为了验证这一问题，采用粉末冶金法研制了NiMo-1 wt%Y₂O₃合金，系统考查了合金的机械性能、抗辐照性能和耐熔盐腐蚀性并与熔盐堆候选结构材料哈氏N合金进行了比较。实验结果表明，合金具有优异的抗拉伸强度（1193Mpa）和屈服强度（1063Mpa），高于哈氏N合金（HN合金的抗拉强度为800Mpa，屈服强度为350Mpa）及CDS合金（抗拉强度为965Mpa，屈服强度为825Mpa）。此外，NiMo-Y₂O₃合金经辐照后He泡的体积分数（~0.3%）低于哈氏N合金中He泡的体积分数（0.58%），这表明Y₂O₃纳米颗粒的引入有效地抑制了He引起的肿胀。不仅如此，NiMo-Y₂O₃合金还表现出优异的耐熔融性盐腐蚀，显示了其作为MSR结构材料的巨大潜力。
本项研究得到了国家自然科学基金优秀青年科学基金、面上基金、青年基金以及中国科学院青年创新促进会的资助支持。（材料研究部 供稿）
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.08.071

图1. NiMo-Y₂O₃合金力学、抗氦致肿胀及耐腐蚀性能

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