304奧氏體不銹鋼在液態(tài)Pb-Bi合金中的空蝕行為

雷玉成 唐冬梅 李天慶 朱 強

(江蘇大學材料科學與工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212013)

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304奧氏體不銹鋼在液態(tài)Pb-Bi合金中的空蝕行為

雷玉成 唐冬梅 李天慶 朱 強

(江蘇大學材料科學與工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212013)

利用超聲波空蝕試驗裝置研究了304奧氏體不銹鋼母材及焊縫在550℃液態(tài)鉛鉍合金中的空蝕行為。通過掃描電子顯微鏡(SEM)觀察不同空蝕時間后母材和焊縫的表面形貌，利用原子力顯微鏡(AFM)分析試樣腐蝕后的表面粗糙度。結果表明，隨著空蝕時間的增加，母材和焊縫表面的空蝕破壞越嚴重。焊縫由于存在成分偏析和組織不均勻等問題是空蝕過程中的薄弱區(qū)域。整個空蝕過程中，母材表面的粗糙度從0.098 μm增加到0.460 μm，焊縫表面的粗糙度從0.117 μm增加到0.599 μm。

304奧氏體不銹鋼 焊縫 液態(tài)Pb-Bi合金 空蝕

0序 言

在先進核能系統(tǒng)中，鉛鉍合金共晶體因其低熔點、高沸點、良好導熱性等性能作為加速器驅動次臨界系統(tǒng)(ADS)的散裂靶和冷卻劑的首選材料[1]，但是高速流的液態(tài)Pb-Bi合金會對主泵葉輪和局部管路等產生空泡腐蝕，簡稱空蝕。核主泵葉輪在與液態(tài)冷卻劑(液態(tài)Pb-Bi合金)相對運動過程中，當流速很高以至靜壓強低于液體氣化壓強時，液體內形成無數小氣泡，隨著壓力起伏，空泡不斷生長至潰滅過程產生的高微射流對泵葉、泵體等部件造成損害，發(fā)生空蝕，這嚴重影響了輪機葉片等過流部件的性能和使用壽命[2]。在核工程裝置中許多部件都采用熔化焊的方式進行制造和裝配[3]，而焊縫組織屬于鑄態(tài)組織，成分偏析、組織不均勻等因素使其為耐空蝕的薄弱區(qū)域。在700℃以下的流動液態(tài)金屬中，奧氏體不銹鋼是鐵基合金中最耐蝕的材料[4]，304奧氏體不銹鋼以其優(yōu)良的耐蝕性能和良好的機械加工性能在核電工業(yè)中得到廣泛應用。文中將對304奧氏體不銹鋼母材及焊縫在液態(tài)Pb-Bi合金中的空蝕行為及其機理進行研究。

1 試驗方法

1.1試驗材料與焊接工藝

試驗材料為5 mm厚的304奧氏體不銹鋼，材料化學成分(質量分數，%)見表1。用打磨機去除304奧氏體不銹鋼表面氧化層后用酒精清洗并干燥。采用TIG焊接方法對304奧氏體不銹鋼進行對接焊接，TIG焊接工藝參數見表2。

1.2 空泡腐蝕試驗

利用超聲波空蝕設備在真空電阻爐中進行空蝕試驗，超聲波設備的額定功率為3 000 W，頻率為19.2kHZ，振幅50 μm。試樣上表面與變幅桿末端距離為1 mm，試驗介質為液態(tài)Pb-Bi共晶合金，試驗溫度保持在550℃。

C Mn Cr Ni Si 0. 06 1. 37 18.1 8. 9 0. 67 P Fe 0.04 余量表1 304奧氏體不銹鋼成分表(質量分數，%)

表2 TIG焊焊接工藝參數表焊層 焊接電流I/A焊接速度v/(mm·s-1)氬氣流量Q/(L·min-1) 坡口α(°) 鎢極直徑d/mm打底焊 90 1.2 8 60 2.4蓋面焊 95 1.8

試樣尺寸為準15 mm×5 mm，試樣表面經金相砂紙逐級打磨后進行拋光并用酒精清洗干燥?？瘴g時間分別為10 h，20 h，30 h和50 h，空蝕結束后將試樣取出，采用雙氧水∶乙酸∶酒精=1∶1∶1的混合液進行清洗，將表面粘附的Pb-Bi清除干凈后用酒精進行超聲波清洗并烘干。在空蝕試驗后，對試樣進行各個時間段的SEM腐蝕形貌觀察，并用AFM對空蝕坑深度及表面粗糙度進行分析。

2 試驗結果與分析

圖1為母材和焊縫空蝕10 h，20 h，30 h和50 h后的表面形貌(母材:1a，1c，1e，1g)，焊縫：1b，1d，1f，1h)。試樣在液態(tài)鉛鉍合金中的空蝕是一個既動態(tài)又局部的復雜過程，空泡潰滅時產生的微射流對試樣表面產生分正應力和分切應力的作用[5]。如圖1a，1b所示，在空蝕10 h后，試樣表面出現微小的空蝕坑，空蝕坑直徑小于1 μm且邊緣比較光滑，這是由近表面的單個大尺寸空泡潰滅時分正應力作用產生的。母材和焊縫表面整體比較平整，局部有由于塑形變形形成的凹坑。焊縫中的缺陷使其表面蝕坑數量較多。隨著空蝕時間的延長(圖1c～1f)，試樣表面平整度下降，母材和焊縫表面空蝕坑數量明顯增多，尺寸也明顯增大，試樣表面被進一步破壞，表面不斷出現新的空蝕坑，小的空蝕坑擴展與相鄰的空蝕坑連接形成更大的腐蝕坑，由于空蝕坑促進了空泡的形核[6]，原空蝕坑附近更易受到空泡沖擊，持續(xù)的微射流導致試樣表面大塊脫落，擴大了空蝕區(qū)域。焊縫表面腐蝕情況仍嚴重于母材，表面發(fā)生斷裂，形成溝壑狀的裂紋。在空蝕50 h后，從圖1g，1h(箭頭處放大)可以看出試樣表面基本被破壞，空蝕坑分布十分密集，母材表面出現滑移帶和裂紋，焊縫表面裂紋的尺寸更大并呈現波狀褶皺，原因可能是由于蝕坑和裂紋處的空蝕集中致其力學性能下降，材料在空泡沖擊作用下被推向凸起的邊緣，從而產生褶皺[7]。

圖2和圖3分別是母材和焊縫空蝕后的最大腐蝕深度和表面粗糙度。由圖2可知，試樣表面空蝕坑深度隨空化時間的延長而增加，空蝕50 h后，母材和焊縫的最大空蝕深度為2 μm和2.6 μm，焊縫的空蝕深度是母材的1.3倍，這表明母材比焊縫具有更高的抗空蝕性。試樣表面粗糙度(圖3)與蝕坑腐蝕深度的變化基本保持一致，在空蝕50 h過程中，母材和焊縫表面先出現微小的空蝕坑和局部變形，在空泡潰滅的持續(xù)沖擊下空蝕坑數量增多[8]，尺寸增大，腐蝕區(qū)域由局部擴展到整個表面，母材表面的粗糙度從0.098 μm增加到0.460 μm，焊縫表面的粗糙度從0.117 μm增加到0.599 μm，這表明同樣的空蝕條件下，焊縫表面更易受到空蝕破壞。

3結 論

(1)在550℃液態(tài)Pb-Bi合金中304奧氏體不銹鋼母材和焊縫的腐蝕行為相似，在相同條件下，母材的耐空蝕性能優(yōu)于焊縫。

(2)空蝕過程中，母材表面的粗糙度從0.098 μm增加到0. 460 μm，焊縫表面的粗糙度從0.117 μm增加到0. 599 μm，同樣的空蝕條件下焊縫表面更易受到空蝕破壞?？瘴g50 h后，焊縫的最大空蝕深度是母材的1. 3倍，母材的抗空蝕性優(yōu)于焊縫。

[1]詹文龍，徐瑚珊.未來先進核裂變能——ADS嬗變系統(tǒng)[J].中國科學院院刊，2012，27(3)：375-381.

[2] 柳 偉，鄭玉貴，娥治銘，等.金屬材料的空蝕研究進展[J].中國腐蝕與防護，2001，21(4)：250-255.

[3]Poitevin Y，Aubert Ph，Diegele E，et al. Development of welding technologies for the manufacturing of european tritium breeder blanket modules[J]. Journal of Nuclear Materials，2011，417(1-3)：36-42．

[4]楊德鈞.金屬腐蝕學[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1999.

[5]喬巖欣，王 碩，劉 彬，等.新型高氮鋼的腐蝕和空蝕交互作用研究[J].金屬學報，2016，52(2)：233-240.

[6] Li Zhen，Han Jiesheng，Lu Jinjun，et al.Vibratory cavita-tion erosion behavior of AISI 304 stainless steel in water at elevated temperature[J].Wear，2014，321：33-37.

[7]張翼飛，林 翠，杜 楠，等.TC4鈦合金在溴化鋰水溶液中的空蝕行為[J].腐蝕與防護，2015，36(6)：522-526.

[8]Chiu K Y，Cheng F T，Man H C.Evolution of surface roughness of some metallic materials in cavitation erosion[J]. Ultrasonics，2005，43(9)：713-716.

雷玉成，1962年出生，教授，博士生導師。主要從事焊接工藝及設備、焊接過程控制及模擬、先進材料連接技術等方面的研究與開發(fā)，已發(fā)表論文150余篇。

TG442

2016-10-20

國家自然科學基金資助項目(51375216)