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在先进核反应堆、太阳能储热系统等前沿领域，熔盐凭借优异的耐高温和传热性能成为核心材料。但与之接触的金属合金却面临一个隐蔽威胁：在高温熔盐中，合金会逐渐发生 “脱合金化"，形成纳米级多孔结构，而这些结构会进一步 “粗化"（孔隙变大、韧带变粗），最终导致材料强度骤降。近日，一项发表在《Acta Materialia》的研究通过相场模拟与原位 X 射线纳米断层扫描的结合，明确了这一过程的主导机制，为熔盐设备的安全设计提供了关键理论支撑。

01正文内容

一、高温熔盐中的 “隐形老化"：合金为何变 “多孔"？

当金属合金（如核反应堆常用的 Ni-20Cr 合金）长期处于 800℃左右的熔融盐（如 KCl-MgCl?）中时，会发生 “脱合金化"：合金中的部分元素（如 Cr）优先溶解到熔盐中，剩余的 Ni 则形成相互连通的纳米多孔结构。这种结构看似稳定，实则在高温下会持续 “粗化"—— 小孔隙逐渐消失，大孔隙不断长大，就像海绵被 “撑大"，最终导致材料力学性能恶化。

此前，科学家们推测粗化可能由叁种机制驱动：

表面扩散：原子沿固体表面移动，从高曲率区域（小孔隙）向低曲率区域（大孔隙）迁移；

固体体扩散：原子通过内部空位 “穿梭"，实现宏观结构调整；

液体体扩散：溶解的金属离子（如 Ni??）在熔盐中迁移，重新沉积形成更大孔隙。

但由于缺乏直接观测手段，哪种机制起主导作用始终是个谜。

二、“双剑合璧" 的研究方法：从实时成像到数字模拟

为破解这一难题，研究团队采用了 “实验观测 + 计算机模拟" 的交叉手段：

原位 X 射线纳米断层扫描

利用同步辐射光源的高分辨率，对 800℃熔盐中的 Ni-20Cr 合金进行 “实时 3D 扫描"，连续记录 65 分钟至 211 分钟内多孔结构的演化。这种技术相当于给材料做 “动态 CT"，能捕捉到纳米级孔隙的生长、合并过程。

相场模拟构建 “数字孪生"

在计算机中重现微观：通过 “相场模型" 描述固 - 液界面的动态变化，分别模拟三种扩散机制下的粗化过程。模型中的 “序参量"（φ）就像一个 “开关"——φ=1 代表固体 Ni，φ=0 代表熔盐，通过数学方程追踪界面移动轨迹。

三、关键发现：表面扩散是 “主谋"，扩散系数浮出水面

通过对比实验数据与模拟结果，研究团队得出了明确结论：

表面扩散匹配度最高

实验中观察到的两个核心特征 —— 合金线半径减小（约 0.4μm）、外层结构致密化（表面孔隙闭合形成 “硬壳"），在表面扩散模拟中重现。而固体体扩散需要合金内部空位浓度达到平衡值的 10?倍（现实中难以实现），液体体扩散则因熔盐中 Ni??浓度过低被排除。

量化 “老化速度"：表面扩散系数

基于模拟与实验的时间尺度匹配，研究计算出 Ni 在熔盐界面的表面扩散系数为 8.9×10??? m?/s，这一数值与 Ni 在真空环境中的表面扩散数据高度吻合，说明熔盐的存在并未显著改变 Ni 的表面迁移规律。

四、未解之谜：后期为何出现 “偏差"？

尽管表面扩散是主导机制，但实验后期（>120 分钟）的微观结构与模拟仍存在差异：实验中孔隙的 “径向分布"（不同位置的孔隙密度）比模拟更平缓。研究团队推测，这可能与残留 Cr 的持续溶解有关 —— 未溶解的 Cr 会改变界面能，间接影响原子迁移路径。此外，合金的结晶各向异性（不同方向的原子扩散速度不同）也可能导致模拟简化与实际情况的偏差。

五、对工程应用的启示：如何让熔盐设备更耐用？

这项研究不仅揭示了科学机理，更为工程实践提供了方向：

材料设计：可通过添加微量元素（如 Al、Ti）降低 Ni 的表面扩散系数，延缓粗化；

检测技术：需开发针对 “外层致密化" 的无损检测方法，避免被表面的 “硬壳" 掩盖内部结构损伤；

工艺优化：控制熔盐纯度（如减少杂质离子），降低 Cr 的溶解速率，从源头减缓多孔结构形成。

结语

从纳米级的孔隙演化到宏观设备的安全运行，这项研究架起了微观机制与工程应用的桥梁。随着相场模拟与原位成像技术的进一步结合，未来我们有望精准预测不同合金在熔盐中的 “寿命曲线"，让高温熔盐技术在新能源、核能领域发挥更大潜力。02图文内容

图 1. 示意图（a）为实验装置（未按比例绘制），（b）为所研究的粗化机制。在（b）中，含镍物质通过不同机制的扩散通量（浅绿色表示液体体扩散，棕色表示表面扩散，红色表示固体体扩散），箭头指示物质从高曲率（H）区域流向低曲率区域，而空位的扩散通量（灰色虚线）方向相反。平均曲率 H 和界面法向量 n（蓝色箭头）的符号约定相对于固相进行标注。

图 2.（a）经平滑处理的初始状态下金属丝中心附近的垂直横截面，其中实线红线近似表示金属丝的中心轴。虚线之间的区域用于计算距离金属丝某一径向距离处的归一化密度。为便于可视化，该壳层区域的面积相较于径向分布函数（RDF）计算中实际使用的步长有所放大。（b）初始状态的径向分布函数（RDF），竖线标示出柱体半径（\(r_\)）在 RDF 上的位置。柱体半径（\(r_\)）的值是通过在归一化密度阈值为 0.3 处对 RDF 进行线性插值得到的。

图 3.我们匹配模拟和实验时间尺度的方法，以液体整体扩散情况为例作为用于匹配的特征。图 4. φ 的横截面视图（黄色表示 φ=1，紫色表示 φ=0）以及 φ=0.5 等值面的侧视图。横截面视图取自计算域的中心而非边缘，以避免因域边界施加的诺伊曼边界条件而产生的伪影。图 5. 实验数据与模拟数据的径向分布函数（RDF）之间的平均相对误差\(F_\)，分别对应（a）表面扩散情况、（b）固体体扩散情况和（c）液体体扩散情况。蓝色区域对应较小的误差，即实验与模拟微观结构的匹配度较高；黄色区域对应较大的误差。每个子图中，产生最小累积差异的线以红线显示，其斜率为\(\tau_\)。\(\tau_\)的值及相应的\(F_\)值标注在图的上方。黑色加号代表图 7 中相同颜色所绘径向分布函数（RDF）的时间坐标。图 6. 金属丝微观结构中的平均曲率分布，具体为表面扩散模拟在模拟时间\(t_=3700\)时的结果。（a）φ=0.5 等值面按平均曲率着色，左侧为整个金属丝结构，右侧为显示金属丝内部的局部放大图。（b）平均曲率 H 的径向函数（蓝色圆圈，左纵轴）和径向分布函数（红色曲线，右纵轴）。金属丝的外边缘包含更多具有正平均曲率的区域，在（a）中呈红色；而金属丝的中心包含更多具有显著负平均曲率的特征，在（a）中呈深紫色。左侧的结构因透视关系未按比例绘制。免责声明