基于Thermo-Calc的合金熔盐腐蚀相图仿真

关键词：Thermo-Calc；相图；核材料；熔盐腐蚀；CALPHAD

一、文章简要介绍

反应堆材料长期泡在高温熔盐里，第二相和基体的耐蚀性天差地别，只看名义成分判断不出来。汉阳大学核工程系联合韩国原子力研究院用Thermo-Calc算出IN625镍基合金和SA508低合金钢高温下的平衡相组成，再对每个相构建代表原子结构，算出各相金属离子化的平衡电位，直接量化哪个相最先被腐蚀（DOI：10.3390/ma19143139）。

Thermo-Calc相图计算工作流：名义成分到平衡相组成

图1 从名义成分到平衡相组成的Thermo-Calc计算流程

研究对象很有代表性：IN625是含铬钼铌的镍基合金，第二相种类多；SA508是反应堆压力容器用钢，相组成简单，正好当参照。

第二相溶解的氧化还原电位评估思路

图2 第二相在熔盐中溶解的电位评估示意

二、仿真步骤

步骤一：相图计算。用Thermo-Calc 2025b，IN625走TCNI13镍基数据库，SA508走TCFE14铁基数据库，在1个大气压下从400度算到1000度，得到各相体积分数随温度的演变。

SA508与IN625在400至1000度的相体积分数

图3 SA508与IN625的相体积分数随温度变化

步骤二：锁定参考温度。取727度的平衡相组成作为后续计算的输入，SA508由铁素体基体、奥氏体和少量碳化物组成，IN625则是镍基体加上碳化物、伽马双撇和P相。

1000 K下两合金的相体积占比

图4 1000 K下两合金的相体积占比

步骤三：构建代表相结构。按CALPHAD算出的各相成分，往FCC、BCC、M23C6、P相的母结构里替换原子，超胞成分无限逼近目标值。

各相CALPHAD预测成分：Cr钼铌的分配

图5 各相的CALPHAD预测成分

步骤四：算电位。对各相主要金属元素写溶解反应，按能斯特方程算平衡电位，离子浓度取10的负6次摩尔每升。

SA508各相金属离子化电位对比

图6 SA508各相金属离子化电位接近

三、关键结果与发现

SA508两个主相电位几乎一样，铁的离子化电位分别是负1.728和负1.768伏，相差只有40毫伏，成分简单的合金不用担心相选择性腐蚀。

IN625各相金属离子化电位：P相最负

图7 IN625的P相电位最负，是薄弱环节

IN625就不一样：P相电位负2.132伏，比伽马基体负0.168伏，是热力学上最软的柿子；富铌的伽马双撇反而最耐蚀，负1.408伏。铬在碳化物和P相富集，正是局部腐蚀源头。

结论很直接：判断多元合金在熔盐里的耐蚀性，必须把相分数和各相成分一起算进去，名义成分说了不算。

四、我们提供的服务

我们可提供以下仿真技术服务：①Thermo-Calc相图计算与相组成预测；②核用合金选相腐蚀评估；③CALPHAD与第一性原理联合计算；④熔盐堆与铅冷快堆材料服役环境分析；⑤腐蚀实验方案设计与数据对标。相图加热力学筛选，在堆内材料选型里非常好用。

如需相关服务，欢迎通过公众号"320科技工作室"联系我们。