304L不銹鋼焊接接頭表面狀態(tài)對其在硼酸溶液中腐蝕行為的影響

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(1. 中廣核工程有限公司,深圳 518124; 2. 蘇州熱工研究院 電站壽命管理技術(shù)中心,蘇州 215004)

304L不銹鋼屬于超低碳奧氏體型不銹鋼，因其具有優(yōu)良的力學(xué)、焊接及耐腐蝕等性能而廣泛應(yīng)用在核電領(lǐng)域的管道、堆內(nèi)構(gòu)件、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、乏燃料貯存格架等關(guān)鍵構(gòu)件上。在長期服役過程中，304L不銹鋼的焊接位置往往是構(gòu)件發(fā)生腐蝕失效的首要部位，所以近年來不銹鋼焊縫的耐蝕性開始受到人們的關(guān)注[1-3]。曾榮昌等[4]指出奧氏體不銹鋼焊接過程中的殘余應(yīng)力以及由第二相沉淀導(dǎo)致的晶體晶格畸變從而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力容易使焊縫處發(fā)生晶間腐蝕。GARCIA等[5-6]利用動電位掃描和激光掃描共聚焦顯微鏡原位觀察等方法研究了304L焊接接頭腐蝕情況，發(fā)現(xiàn)焊接后304L不銹鋼基材、熱影響區(qū)和焊縫區(qū)電化學(xué)性能差異很大，點(diǎn)蝕優(yōu)先在熱影響區(qū)產(chǎn)生，焊縫區(qū)域在腐蝕過程中充當(dāng)腐蝕原電池的陰極。

焊接區(qū)域的腐蝕行為往往決定著整個(gè)焊接結(jié)構(gòu)的服役壽命，焊接成型后常常需要對焊接接頭表面進(jìn)行不同的打磨處理以滿足工件表面粗糙度的要求，不同打磨工藝及表面粗糙度對材料表面的耐腐蝕有不同程度的影響[7-8]。但打磨工藝對焊接接頭耐腐蝕性能影響的研究鮮有報(bào)道，特別在核電應(yīng)用領(lǐng)域，例如在硼酸溶液中，對焊接接頭腐蝕行為還未見報(bào)道。

本工作以核電廠乏燃料貯存格架用304L不銹鋼焊接接頭為研究對象，以格架的實(shí)際服役環(huán)境為基礎(chǔ)，綜合采用浸泡腐蝕試驗(yàn)、電化學(xué)試驗(yàn)等方法對焊接接頭的腐蝕性能進(jìn)行評價(jià)，然后用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡等分析手段，研究了304不銹鋼焊接接頭表面狀態(tài)對其在硼酸溶液中腐蝕行為的影響，獲得焊接接頭在硼酸溶液中的腐蝕規(guī)律。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為304L奧氏體不銹鋼，其化學(xué)成分如表1所示，其組織為典型的奧氏體晶粒，晶粒大小均勻，如圖1所示。

表1 304L不銹鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab. 1 Chemical composition of 304L stainless steel (mass) %

圖1 304L不銹鋼的顯微組織Fig. 1 Microstructure of 304L stainless steel

1.2 試驗(yàn)方法

將兩塊2 mm厚度的304L不銹鋼板采用鎢極惰性氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接，焊接電流130～180 A，電壓6～12 V，焊接速率2～6 mm/s。從焊接接頭處截取試樣，采用水砂紙逐級(至2 000 號)打磨試樣表面，然后用去離子水沖洗(以下稱2 000號砂紙打磨試樣)；同時(shí)，另外選取2個(gè)接頭試樣，采用40號砂紙打磨、機(jī)械拋光的方法分別對其表面進(jìn)行處理(以下分別稱40號砂紙打磨和機(jī)械拋光試樣)。利用蔡司Axiover 200MAT光學(xué)顯微鏡對焊接接頭的縱截面進(jìn)行微觀組織觀察。

浸泡腐蝕試驗(yàn)溶液為硼酸溶液，采用硼酸和超純水配制，B3+的質(zhì)量濃度為2.5 g/L，pH為4.8～5.5，試驗(yàn)溫度為80 ℃。對未經(jīng)打磨的原始狀態(tài)焊接接頭(以下稱原始試樣)和2 000號砂紙打磨試樣分別進(jìn)行48，96，144，192 h的浸泡腐蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后，取出試樣，用去離子水洗凈，冷風(fēng)吹干。

用Model XS105DU型電子天平稱量試樣腐蝕前后的質(zhì)量差，并計(jì)算腐蝕速率；用Cambridge-S360掃描電鏡(SEM)觀察試樣表面和截面的腐蝕形貌。對40號砂紙打磨、機(jī)械拋光試樣進(jìn)行表面粗糙度和極化曲線測試。表面粗糙度測試在Keyence VK-100K型三維形貌儀上進(jìn)行；極化曲線測試在Salartron 12608W型電化學(xué)工作站上并采用三電極體系進(jìn)行。其中，工作電極為待測接頭試樣，輔助電極為Pt電極，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，測試溶液為上述硼酸溶液，掃描速率為20 mV/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 焊接接頭的微觀組織

304L不銹鋼焊接接頭的微觀組織如圖2所示。從圖2可以看到：焊縫區(qū)組織為柱狀枝晶，枝晶生長方向?yàn)橛赡覆南蚝缚p中心生長，兩側(cè)焊縫在中心交織，靠近內(nèi)壁側(cè)熱影響區(qū)均有不同程度的粗晶組織，最大粗晶晶粒度約為2級，熱影響區(qū)寬度為490～585 μm。

(a) 焊接接頭縱截面

(b) 接頭焊縫區(qū)圖2 304L不銹鋼焊接接頭縱截面及其焊縫區(qū)的微觀組織Fig. 2 Microstructure of the longitudinal sections of 304L stainless steel welded joint (a) and its weld zone (b)

2.2 腐蝕速率和腐蝕形貌

圖3為原始試樣和2 000號砂紙打磨試樣在硼酸溶液中的腐蝕速率。從圖3中可以看到：在浸泡初期(0～96 h)原始試樣的腐蝕速率快速上升，浸泡96 h時(shí)，達(dá)到最大值，之后隨著浸泡時(shí)間的延長，腐蝕速率緩慢下降至穩(wěn)定值；2 000號砂紙打磨試樣的腐蝕速率比較穩(wěn)定，與原始試樣相比，其腐蝕速率大大降低。在浸泡后期，兩種試樣的腐蝕速率都達(dá)到了相對穩(wěn)定的狀態(tài)，但原始試樣的腐蝕速率仍然高出了2 000號砂紙打磨試樣一個(gè)數(shù)量級。以上結(jié)果表明，打磨可以很好地改善焊接接頭的耐蝕性。

圖3 原始試樣和2 000號砂紙打磨試樣在硼酸溶液中的腐蝕速率Fig. 3 Corrosion rates of original sample and No. 2 000 sandpaper sanded sample in boric acid solution

另外，從圖3中還可以看出，試樣的腐蝕速率在試驗(yàn)初期會出現(xiàn)負(fù)值，這表明材料發(fā)生了腐蝕增重現(xiàn)象。這是因?yàn)樵囼?yàn)初期，腐蝕形成的產(chǎn)物附著在試樣表面，造成其質(zhì)量增加，腐蝕速率呈現(xiàn)負(fù)值，特別是原始試樣，浸泡初期其質(zhì)量增加明顯。

原始試樣在硼酸溶液中腐蝕192 h后的表面形貌和截面形貌如圖4所示。從圖4中可以看出，在試驗(yàn)條件下經(jīng)192 h硼酸溶液腐蝕后，焊接接頭表面發(fā)生了一定程度的均勻腐蝕，從其截面形貌上也可以看出腐蝕的痕跡。

圖5是2000號砂紙打磨試樣經(jīng)192 h硼酸溶液腐蝕后的表面形貌和截面形貌。從圖5中可以看到:2 000號砂紙打磨試樣在硼酸溶液中腐蝕192 h后表面仍然呈現(xiàn)銀白色金屬光澤,截面處無明顯腐蝕現(xiàn)象。

2.3 表面粗糙度對耐蝕性的影響

圖6是40號砂紙打磨試樣和機(jī)械拋光試樣的表面形貌。結(jié)果表明：經(jīng)40號砂紙打磨后，試樣表面有明顯的磨痕；而經(jīng)機(jī)械拋光后，試樣表面無明顯起伏。

(a) 表面形貌

(b) 截面形貌圖4 原始試樣在硼酸溶液中腐蝕192 h后的表面形貌和截面形貌Fig. 4 Surface morphology (a) and cross-section morphology (b) of original sample corroded in boric acid solution for 192 h

(a) 表面形貌

(b) 截面形貌圖5 2 000號砂紙打磨試樣在硼酸溶液中腐蝕192 h后的表面形貌和截面形貌Fig. 5 Surface morphology (a) and cross-section morphology (b) of No. 2 000 sandpaper sanded sample corroded in boric acid solution for 192 h

(a) 40號砂紙打磨試樣

(b) 機(jī)械拋光試樣圖6 40號砂紙打磨試樣和機(jī)械拋光試樣的表面形貌Fig. 6 Surface morphology of No.40 sandpaper sanded sample (a) and mechanically polished sample (b)

圖7是40號砂紙打磨試樣和機(jī)械拋光試樣表面粗糙度的變化曲線。結(jié)果表明：經(jīng)過40號砂紙打磨后，試樣表面粗糙度為1.09 μm；而經(jīng)機(jī)械拋光后，試樣的表面粗糙度僅為0.10 μm，遠(yuǎn)小于40號砂紙打磨試樣的。

圖7 40號砂紙打磨試樣和機(jī)械拋光試樣表面粗糙度的變化曲線Fig. 7 Surface roughness curves of No. 40 sandpaper sanded sample and mechanically polished sample

圖8是40號砂紙打磨試樣和機(jī)械拋光試樣的極化曲線。從圖8中可以看到：機(jī)械拋光試樣的自腐蝕電位和擊破電位均高于40號砂紙打磨試樣的，這說明機(jī)械拋光試樣的耐蝕性優(yōu)于40號砂紙打磨試樣的。試驗(yàn)結(jié)果表明，表面粗糙度越小，焊接接頭的耐蝕性越好，這與浸泡腐蝕試驗(yàn)結(jié)果是一致的。

圖8 40號砂紙打磨試樣和機(jī)械拋光試樣的極化曲線Fig. 8 Polarization curves of No. 40 sandpaper sanded sample and mechanically polished sample

3 結(jié)論

(1) 核電廠乏燃料格架用304L不銹鋼焊接接頭組織均勻，最大晶粒度約為2級，焊接熱影響區(qū)寬度為490～585 μm。

(2) 在硼酸溶液中浸泡的前96 h，未經(jīng)打磨焊接接頭的腐蝕速率快速增大，隨后小幅降低并趨于穩(wěn)定，經(jīng)2 000號砂紙打磨焊接接頭的腐蝕速率在整個(gè)試驗(yàn)過程中比較穩(wěn)定，且遠(yuǎn)小于未經(jīng)打磨焊接接頭的。

(3) 經(jīng)40號砂紙打磨后焊接接頭的表面粗糙度遠(yuǎn)大于機(jī)械拋光后試樣的，但前者的自腐蝕電位低于后者的，這說明表面粗糙度越小耐蝕性越好。

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