近期，中国科学院上海应用物理研究所钍基核裂变能重点实验室在熔盐堆结构材料的应力腐蚀研究领域取得重要进展。科研人员通过创新实验方法和多尺度表征，深入研究了GH3535合金在熔盐环境与拉伸应力共同作用下的开裂行为，揭示了裂纹萌生的微观机制，相关成果以“Understanding of the stress assisted cracking behavior of Ni-based alloy GH3535 in molten LiF-NaF-KF salt”为题，发表于材料腐蚀领域顶尖期刊Corrosion Science（2025，254：113038）。
应力腐蚀开裂是材料在腐蚀环境与拉伸应力耦合作用下的一种关键失效形式，在轻水堆等商业堆中曾多次发生并造成巨大经济损失，是核能材料领域的重要研究方向。熔盐堆的运行温度远高于轻水堆，运行工况更加严苛，其结构材料服役过程中同样面临腐蚀与应力的协同作用，在长期服役中存在发生应力腐蚀开裂的风险。然而，由于通过预加载在材料中引入的应力容易在高温下松弛，以及材料的熔盐腐蚀对水氧极为敏感导致实验数据不稳定等难题，熔盐堆材料应力腐蚀行为的研究进展缓慢。
图1 氩气及熔盐环境中GH3535合金萌生的裂纹及裂纹萌生区显微组织特征
针对上述难题，该研究团队采用了在惰性气体保护的熔盐中对样品施加恒定拉伸载荷的方法开展应力腐蚀实验，既模拟了部件的实际服役工况，又有效克服了传统加载方式下的应力松弛等问题。基于此方法，团队以氩气环境实验为对照，系统研究了GH3535合金在熔融氟锂钠钾盐中的应力腐蚀行为。结果发现：1. 熔盐环境中样品的蠕变速率显著高于氩气环境；2. 两种环境下，样品近表面区域均发生沿晶开裂且裂纹萌生于材料内部，但熔盐环境中有更多裂纹扩展至样品表面，见图1。通过显微组织观察和验证实验，团队明确了熔盐环境中合金的开裂机制：1.样品内部加工变形区在加载过程中发生沿晶蠕变开裂；2. 样品表面微米晶区在熔盐中发生了应力腐蚀开裂。在熔盐环境中，材料内部的蠕变裂纹与表面的应力腐蚀裂纹相互连接，最终形成宏观裂纹。研究团队确定了样品机加工过程中引入的表面塑性变形是导致材料加载过程中开裂的最关键因素。此外，还证实了裂纹尖端应力集中是导致熔盐环境中材料蠕变速率加快的主要原因。两种环境中材料的开裂过程见图2。
图2 氩气及熔盐环境与拉伸应力耦合作用下GH3535合金的表面裂纹萌生行为机制
上世纪70年代，美国橡树岭国家实验室对熔盐实验堆退役部件进行解剖分析时，在部分接触熔盐的部件表面发现了沿晶腐蚀特征。对含有熔盐接触面的样品进行拉伸之后，在样品表面表面观察到严重的沿晶开裂。进一步分析发现样品表面存在痕量的熔盐堆裂变产物碲（Te），因此认为Te是导致熔盐堆材料脆化以及开裂的主要原因，俗称碲脆，并被视作熔盐堆材料服役面临的最严峻挑战之一。本研究显示，即使在没有熔盐和Te元素存在的情况下，加工制造过程中引入的局部变形也会促进材料与部件在服役初期的表面裂纹萌生。该工作促进了对熔盐堆材料的环境促进开裂行为的认识；同时，也表明优化制造工艺与改善表面状态对于部件服役可靠性提升也至关重要。
论文工作主要由上海应物所博士研究生梁文君完成，导师为常立涛研究员和李晓丽副研究员，冷滨研究员、博士研究生吴涛、硕士研究生王雨苗参与了部分研究工作。该研究获中国科学院引才计划项目和国家自然科学基金项目资助。
全文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010938X25003658
