316L鋼焊接接頭在液態(tài)鉛鉍合金中的空泡腐蝕研究

雷玉成 常紅霞 郭曉凱

(江蘇大學材料科學與工程學院，江蘇省高端結構材料重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江212013)

316L鋼焊接接頭在液態(tài)鉛鉍合金中的空泡腐蝕研究

雷玉成

雷玉成 常紅霞 郭曉凱

(江蘇大學材料科學與工程學院，江蘇省高端結構材料重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江212013)

通過使用大功率超聲空化裝置對固溶處理前后的焊接接頭在液態(tài)鉛鉍合金中的空泡腐蝕行為進行了研究。使用電子掃描電鏡(SEM)和原子力顯微鏡(AFM)對不同空化時間的焊縫的表面形貌、表面粗糙度以及表面硬度進行分析。研究發(fā)現(xiàn)，隨著空泡腐蝕的不斷進行，材料表面的粗糙度和最大腐蝕深度均在不斷增加，且固溶處理前后的焊縫在空泡腐蝕前期均出現(xiàn)加工硬化的現(xiàn)象。未固溶處理的焊縫表面還出現(xiàn)顯著的塑性變形的痕跡。固溶處理后的焊縫硬度大幅提高，塑性雖然下降，但是結果表明固溶處理后的焊縫組織的耐空蝕性能更好。

空泡腐蝕 316L不銹鋼 焊接接頭 鉛鉍合金 固溶處理

0 序 言

加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)(ADS)被國際上公認為最有前景的嬗變核廢料系統(tǒng)，是解決核廢料與核安全問題的首選技術途徑[1]。而液態(tài)鉛鉍共晶合金(LBE)具有熔點低、積聚能量小、良好的中子學性能、低收縮率、強大的載熱能力等特點，成為ADS的主要冷卻劑和散裂靶材的候選材料[2]。液態(tài)鉛鉍合金最大的缺點是它會對包層結構材料產(chǎn)生腐蝕。在核工程冷卻循環(huán)結構中，當泵葉旋轉(zhuǎn)時，液態(tài)金屬內(nèi)部壓力起伏會引起液態(tài)金屬蒸汽以及溶于液態(tài)金屬中的氣體的形核、生長及潰滅的空化過程并對泵葉、泵體等部件造成傷害，也就是空泡腐蝕。如果空泡腐蝕嚴重將直接導致材料壽命的降低和維修成本的提高[3]。由于316L鋼具有良好的綜合性能[4]，廣泛應用于管道和葉輪的制造中。核電管道現(xiàn)有的焊接方法主要以TIG焊(鎢極氬弧焊)為主[5]。熔焊接頭是核工程設備制造和管道連接中的重要組成結構，特別是在高速流液態(tài)金屬循環(huán)回路中。焊縫組織可能會出現(xiàn)晶粒粗大、成分偏析、氣孔等缺陷，使之容易成為高溫流體循環(huán)回路中的薄弱環(huán)節(jié)，它們的耐腐蝕性將嚴重威脅著核電站運行的安全，焊后熱處理是提高焊接接頭性能最有效的方法，選擇合適的熱處理方式對提高焊縫耐空蝕性有很大幫助。目前，人們主要對鉛鉍合金的靜態(tài)和動態(tài)腐蝕進行了研究，對焊接接頭的空泡腐蝕的研究非常欠缺。文中旨在通過對固溶處理前后的焊接接頭不同時間下在LBE中的耐空泡腐蝕性能進行研究對比，通過對比腐蝕前后表面形貌來揭示熔焊組織在高速流液態(tài)Pb-Bi合金中的空泡腐蝕機制，為提高核反應堆過流部件的耐腐蝕性能及服役壽命提供理論依據(jù)。

1 試驗過程

1.1試驗選材及焊接工藝

試驗材料選用316L鋼，其化學成分見表1。母材及焊絲均為316L鋼，焊接板厚5mm。焊接工藝為鎢極氬弧焊，背面采用純度為99.9%的惰性氣體氬氣保護，采用平板對接焊，開60°V形坡口。焊接工藝參數(shù)見表2。

表1 316L不銹鋼化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

表2 316L鋼TIG焊焊接參數(shù)

將焊接接頭分為兩組，其中一組試樣進行熱處理，另一組不進行處理。試驗采用熱處理方式為固溶處理，具體工藝：1050℃保溫30min，然后水淬快冷。

1.2空泡腐蝕試驗

圖1為超聲空化腐蝕裝置示意圖。試驗溫度保持在550±5℃。將兩組焊縫切成試樣。試樣尺寸為準15 mm×5mm,試驗前，將試樣用3000#砂紙打磨再拋光，以保證試樣表面光滑平整?？张菰囼炃皩⒃嚇泳凭暻逑?、干燥。使用全自動顯微硬度儀檢測試樣表面顯微硬度。腐蝕后的試樣使用溶液(CH3COOH∶H2O2∶C2H5OH=1∶1∶1)清洗試樣。用顯微硬度計測定其固溶處理前后表面硬度，使用電子掃描顯微鏡(SEM)和原子力顯微鏡(AFM)對空泡腐蝕試樣表面的形貌特征進行掃描，同時測定腐蝕表面的粗糙度。

圖1 試驗裝置示意圖

2 結果與分析

2.1空泡腐蝕行為

2.1.1固溶處理前后的焊縫組織的組織觀察

圖2為316L不銹鋼TIG焊固溶處理前后的焊接接頭金相圖。焊縫區(qū)是典型的柱狀晶，顯微組織為奧氏體+鐵素體，未固溶處理的焊縫中斷續(xù)分布的骨架狀的鐵素體都分布在柱狀的奧氏體基體上，圖2b固溶處理后的焊縫中，柱狀晶中分布的鐵素體大部分已經(jīng)溶于奧氏體中，且奧氏體晶粒細小并沒有長大。從圖3曲線圖可見，固溶處理后的硬度最高可達到277HV，最低為234HV，未進行固溶處理的焊縫最高可達到227 HV，最低為206HV，可見固溶處理在一定程度上提高了焊縫的硬度，這是由于固溶處理可以將碳鉻化物和吸附在晶界上的一些有害雜質(zhì)固溶掉,融入固溶體中的固溶原子造成晶格畸變，可適當?shù)靥岣卟牧系挠捕群蛷姸萚6]。

圖2 固溶處理前后焊接接頭的顯微組織

圖3 固溶處理前后焊接接頭的顯微硬度

2.1.2腐蝕過程形貌的變化

圖4為固溶處理前后的焊縫組織未腐蝕前的SEM圖，由圖可見，兩組焊縫組織的表面光滑平整，沒有明顯的缺陷，除了一些在拋光時產(chǎn)生的輕微劃痕。圖5為空泡腐蝕5h后的表面形貌圖，可以看出，腐蝕初期在試樣表面出現(xiàn)了少量麻點，坑孔徑較小。從AFM圖可見，大部分孔洞呈規(guī)則的圓錐形，空蝕坑直徑約為0.5 μm，空蝕坑在試樣表面整體分布比較散，表面無深坑無裂紋出現(xiàn)。

圖6分別為固溶處理前后的焊縫經(jīng)過20h空化作用的表面形貌圖。固溶處理前后的焊縫組織表面上的點蝕坑的數(shù)量都是隨著空化作用時間的增加而增多，且越來越密集，蝕坑大小和深度逐漸增大，蝕坑的形狀除了圓形，還出現(xiàn)了不規(guī)則的馬蹄狀蝕坑，表面還有一些凹陷。未固溶處理的焊縫表面的蝕坑直徑約1.5μm，固溶處理后的焊縫組織表面的蝕坑孔徑與未處理的相差不大，但是在材料表面空蝕坑的數(shù)量明顯少于未處理的焊縫。材料在空化過程中，金屬材料與鉛鉍合金的接觸面積逐漸在增大，蝕坑內(nèi)凹凸不平，這更有利于氣泡著落，使被腐蝕的表面不斷被去除一層，如此反復，使凹坑孔徑逐漸增大。

圖7為經(jīng)過50h空化作用的固溶處理前后的焊縫組織的表面形貌圖，材料表面腐蝕區(qū)域明顯擴大，單個點蝕坑不斷增大，焊縫蝕坑最大直徑可達4μm，固溶處理后的焊縫組織表面蝕坑直徑約為3μm。試樣表面凹凸不平，破壞嚴重，蝕坑的形狀有不同的傾向性，蝕坑多數(shù)形貌呈蜂窩狀，可以觀察到點蝕坑內(nèi)部材料被層層剝落的痕跡。在空蝕破壞過程中，在未固溶處理的焊縫表面出現(xiàn)了塑性變形的痕跡，沿晶界形成少量的“凸起”，這種凸起就是滑移過程中形成的滑移帶，呈褶皺狀集中在晶界處[7-8]，而在固溶處理后的焊縫組織表面滑移帶并不明顯。這種塑性變形的痕跡多少與固溶處理前后材料的塑性有很大關系，固溶處理增加了晶格畸變，其增加了材料表面硬度與強度，但使得材料表面塑性下降，因此其沒有塑性變形的痕跡。從AFM圖對比可見，未固溶處理的焊縫比固溶處理后的焊縫被腐蝕得更嚴重些，固溶處理后的焊縫表面雖然凹凸不平，但依稀可見較完整的表面。這說明固溶處理后的焊縫的塑性雖然較差，但是其增加了材料表面硬度與強度，其耐空蝕性依然優(yōu)于未固溶處理的焊縫。

圖4 固溶處理前后焊縫空蝕前的表面形貌

圖5 固溶處理前后焊縫空蝕5h后的表面形貌

圖6 固溶處理前后焊縫空蝕20h后的表面形貌

圖7 固溶處理前后焊縫空蝕50h后的表面形貌

圖8為經(jīng)過100h空化作用的固溶處理前后的焊縫組織的表面形貌圖，可以清晰地看到試樣表面腐蝕很嚴重，空蝕坑分布非常密集，坑明顯變深。一些小的空蝕坑聚在一起形成了更大的蝕坑，蝕坑的形狀不規(guī)則。未處理的焊縫表面出現(xiàn)了大量的微裂紋，微裂紋的長度約為3^4μm，微裂紋在材料表面沿橫向和縱向擴展，相鄰的微裂紋匯合，形成了晶界處的大裂紋，同時周邊又會形成新的微裂紋。固溶處理后的焊縫組織表面雖然蝕坑大小與前者相差不大，但是相鄰的蝕坑在聯(lián)接處并沒有形成微裂紋。

2.2表面粗糙度變化

圖9為固溶處理前后焊縫表面粗糙度變化曲線圖，由圖可見，兩組焊縫的粗糙度隨著時間呈線性上升，整體上未處理的焊縫的粗糙度要大于固溶處理后的焊縫。在前5h內(nèi)，兩組焊縫粗糙度幾乎不變，隨著時間的增加，其之間的差異越來越大，在100h的空化作用下，未處理的焊縫的粗糙度可達9.1μm，固溶處理的焊縫的粗糙度為7.0μm。

結合空泡腐蝕后表面形貌的區(qū)別以及粗糙度的變化可以清晰的看出，固溶處理后的焊縫耐空蝕性要優(yōu)于未固溶處理的焊縫。固溶處理前后的焊縫組織在空蝕過程中的差異主要是由其組織和硬度差異引起的，未固溶處理前的焊縫中存在少量的鐵素體，鐵素體的耐空蝕性能要低于奧氏體。固溶處理后的焊縫組織，固溶體引起點陣畸變，雖然其塑性下降，但是其強度和硬度得到提高，應力集中引起開裂的機會也較少，裂紋不易產(chǎn)生，因此有效地提高了材料的耐空泡腐蝕性能。

2.3表面硬度變化

材料在受到空泡沖擊時，材料表面會發(fā)生塑性變形。在塑性變形過程中，一方面由于晶界的存在，使變形晶粒中的位錯在晶界處受阻，每一晶粒中的滑移帶也都終止在晶界附近；另一方面，多滑移時必然要發(fā)生位錯的相互交割。這兩者均將大大提高材料的硬度。采用維氏顯微硬度計分別測定不同腐蝕時間下固溶處理前后的焊縫組織的表面顯微硬度，其變化曲線如圖10所示。由圖可知，兩組試樣在空泡腐蝕前期均發(fā)生加工硬化現(xiàn)象。在開始空化腐蝕的20h內(nèi)，未固溶處理焊縫顯微硬度迅速上升，在20h達到最大值247HV，且其增長速度要大于固溶處理的焊縫。腐蝕20h之后，加工硬化程度趨于穩(wěn)定，硬度幾乎不變。

圖8 固溶處理前后焊縫空蝕100h后的表面形貌

圖9 固溶處理前后焊縫表面粗糙度變化

圖10 焊縫接頭在空蝕過程中的顯微硬度變化

3 結 論

(1)隨著空泡腐蝕的不斷進行，材料表面的粗糙度和最大腐蝕深度均在不斷增加。

(2)固溶處理后的焊縫塑性雖然下降，但材料硬度大幅提高，其耐空蝕性能依然得到很大改善。

(3)在空泡腐蝕前期，焊縫表面會發(fā)生加工硬化使得材料表面硬度提高，提高到一定程度后趨于穩(wěn)定。

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2016-10-12

國家自然科學基金資助項目(51375216)

TG47

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。