熱老化對核電不銹鋼微區(qū)力學(xué)及晶間腐蝕性能的影響

(安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽馬鞍山243032)

核電主管道是壓水堆核電站的關(guān)鍵部件之一，是核島系統(tǒng)承壓邊界的重要組成部分，又稱核電站的“主動脈”[1-3]。Z3CN20.09M鑄造奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼廣泛用于制備核電主管道，是符合RCC-M《壓水堆機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建設(shè)規(guī)則》[4-6]標(biāo)準(zhǔn)性能的一種材料，其中鐵素體相含量12%～20%(體積分?jǐn)?shù)）。鐵素體相在Z3CN20.09M不銹鋼中發(fā)揮著增加強(qiáng)度、降低焊接熱裂性、提高耐應(yīng)力腐蝕能力等作用，但也會帶來熱老化脆化、中高溫敏化等問題，惡化材料性能[7]。核電站一回路主管道長期在高溫高壓并帶有腐蝕性介質(zhì)的環(huán)境中(280～320℃，16 MPa，含有Cl-、Li+、BO3-等腐蝕性離子)運(yùn)行。研究發(fā)現(xiàn)，鑄造雙相不銹鋼在這種條件下長期服役，鐵素體相會析出富鉻的α′相，導(dǎo)致材料臨界裂紋尺寸減小，韌脆轉(zhuǎn)變溫度上升，斷裂韌性下降，耐點(diǎn)蝕性能降低[8-10]，給核電站帶來安全隱患。國內(nèi)外學(xué)者對核電站主管道不銹鋼熱老化機(jī)理進(jìn)行了大量研究[11-15]，發(fā)現(xiàn)核電主管道不銹鋼的熱老化主要由α′相導(dǎo)致，而α′相是由鐵素體在低于500℃時(shí)發(fā)生調(diào)幅分解反應(yīng)而生成。盡管研究獲得一些有益成果，但是關(guān)于熱老化尤其是熱老化+退火處理對鑄造雙相不銹鋼微區(qū)力學(xué)性能和晶間腐蝕性能影響鮮有報(bào)道。為此，開展熱老化對材料力學(xué)性能和晶間腐蝕性能影響的研究，以期全面評價(jià)鑄造雙相不銹鋼的服役性能。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料為Z3CN20.09M雙相不銹鋼，其化學(xué)成分如表1。

表1 Z3CN20.09M的化學(xué)成分，w/%Tab.1 Chemical composition of Z3CN20.09M，w/%

Z3CN20.09M不銹鋼試樣經(jīng)過固溶處理(加熱到1 180℃保溫8 h后水淬)后在400℃進(jìn)行不同時(shí)長（300，1 000，7 000，10 000 h）的熱老化處理，并將熱老化10 000 h的部分試樣在550℃保溫1 h進(jìn)行退火處理。將退火處理后的試樣線切割成10 mm×10 mm×10 mm若干，用于微區(qū)硬度和晶間腐蝕性能測試。將切割好的試樣用砂紙打磨至2 000#后用粒度為1 μm的金剛石研磨膏機(jī)械拋光。隨后用30 g NaOH+100 mL H2O的腐蝕液進(jìn)行電解腐蝕，采用Leica DM4000M光學(xué)金相顯微鏡觀察組織，并用金相分析軟件（Image-Pro Plus 6.0）分析鐵素體的含量和尺寸。輕微腐蝕試樣后，使用安捷倫G300的納米壓痕儀和HVS-50顯微維氏硬度計(jì)分別測量鐵素體相和奧氏體相的硬度，測量5次取平均值。試驗(yàn)載荷為245.2 mN。

將切割好的試樣用銅導(dǎo)線焊接，用環(huán)氧樹脂密封，工作面積為1 cm2。然后用砂紙打磨至2000#后機(jī)械拋光、去離子水清洗、無水乙醇脫水、冷風(fēng)吹干處理。采用CHI604D電化學(xué)工作站進(jìn)行耐晶間腐蝕性能測試。測試腐蝕液為0.5 mol/L H2SO4+0.01 mol/L KCSN溶液，溫度為25℃。掃描起始電位為150 mV，終止電位為-400 mV，掃速為0.83 mV/s。

采用型號為Bruker D8 Advance的X射線衍射儀(XRD)表征熱老化后試樣的物相變化。用于XRD分析的試樣表面需磨平，尺寸為15 mm×15 mm×5 mm，測試時(shí)選擇的角度為30°～90°，步長0.01°。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 熱老化對顯微組織結(jié)構(gòu)的影響

圖1顯示了固溶態(tài)試樣和400℃熱老化不同時(shí)間試樣的金相組織。從圖1可看出：不同熱老化處理的試樣組織均由少量的鐵素體（深灰色）和奧氏體組成，鐵素體分布在奧氏體基體上；經(jīng)400℃熱老化不同時(shí)間，試樣組織未發(fā)生明顯變化。鐵素體含量及尺寸如表2。

表2 不同熱老化處理試樣的鐵素體含量及尺寸Tab.2 Ferritecontent and size of specimens with different thermal aging treatment

圖1 熱老化處理試樣的金相組織Fig.1 Optical microstructure of specimens with thermal aging treatment

從表2可看出，不同熱老化處理的試樣鐵素體含量及尺寸未發(fā)生明顯變化。這是因?yàn)闊崂匣瘜?dǎo)致鐵素體相通過調(diào)幅分解生成了α′相，而α′相只有幾個(gè)納米且其與鐵素體相保持共格或半共格關(guān)系[16]，不能引起組織形態(tài)和比例的變化。

圖2是在不同熱老化試樣的XRD圖譜。從圖2可看出，固溶態(tài)試樣、熱老化10 000 h與熱老化10 000 h+退火試樣的衍射峰基本一致。結(jié)合鐵素體相比例變化分析可知，衍射譜中α相峰與γ相峰強(qiáng)度的變化是由擇優(yōu)取向造成的?？梢?，試樣在400℃下熱老化處理后也只有α相和γ相，未析出其他相。

圖2 熱老化處理試樣的XRD衍射圖譜Fig.2 XRD of specimens with thermal aging treatment

2.2 熱老化對微區(qū)力學(xué)性能的影響

圖3顯示了顯微維氏硬度壓痕和納米壓痕的形貌。從圖3可看出，納米壓痕和顯微維氏壓痕準(zhǔn)確地打在鐵素體和奧氏體上。不同時(shí)間熱老化處理試樣的鐵素體和奧氏體兩相顯微硬度如圖4。從圖4可看出：隨著熱老化時(shí)間的延長，鐵素體的硬度不斷變大，熱老化10 000 h達(dá)最大；退火處理后熱老化10 000 h試樣的鐵素體硬度恢復(fù)至未熱老化水平。然而，隨熱老化時(shí)間的延長奧氏體硬度變化卻不大。

圖3 壓痕圖片F(xiàn)ig.3 Images of indentation

圖4 熱老化處理試樣的硬度Fig.4 Hardness of specimens with thermal aging treatment

圖5為熱老化處理試樣鐵素體的載荷-位移曲線。從圖5可看出：熱老化對雙相不銹鋼試樣力學(xué)性能的影響，熱老化10 000 h后試樣在相同載荷作用下位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他試樣，其硬度最大；而熱老化后進(jìn)行退火處理的試樣硬度恢復(fù)到未熱老化的水平。

Z3CN20.09M雙相不銹鋼在400℃熱老化過程中鐵素體相硬度發(fā)生明顯變化，奧氏體相硬度變化不明顯，主要是因熱老化過程中鐵素體發(fā)生調(diào)幅分解生成富Cr的α′相所致。一方面富Cr的α′相是硬脆相，導(dǎo)致鐵素體硬度升高[17]，另一方面，α′相與鐵素體相呈共格關(guān)系，產(chǎn)生應(yīng)變能，亦引起鐵素體硬度升高。熱老化過程中α′相數(shù)量和尺寸隨熱老化時(shí)間的延長而增多、增大，故鐵素體硬度隨熱老化時(shí)間的延長而不斷升高。熱老化過程中奧氏體相未發(fā)生變化，故其硬度隨熱老化時(shí)間的延長變化不明顯。經(jīng)550℃退火1 h處理后，鐵素體中析出的α′相消失[18-20]，鐵素體硬度恢復(fù)到未熱老化水平。

圖5 熱老化處理試樣鐵素體的載荷-位移曲線Fig.5 Load-displacement curves of ferrite of specimens with thermal aging treatment

2.3 熱老化對晶間腐蝕性能的影響

圖6為電化學(xué)動電位再活化(electrochemical polarization reactivation，EPR)法的測試結(jié)果，顯示了不同試樣的晶間腐蝕性能。耐晶間腐蝕性能常用活化率Ra來表示，Ra越大，材料的耐晶間腐蝕性能越差。Ra=Ir/Ia，Ir表示回掃時(shí)最大電流，Ia表示正向掃描時(shí)最大電流。EPR曲線參數(shù)結(jié)果如表3。

圖6 熱老化處理試樣動電位再活化極化曲線Fig.6 EPR curves of specimens with thermal aging treatment

表3 動電位再活化極化曲線數(shù)據(jù)Tab.3 Data of EPR curves of different specimens

從表3可以看出：固溶態(tài)試樣的Ra最小，晶間腐蝕傾向小，耐晶間腐蝕性能好；熱老化10 000 h試樣的Ra最大，晶間腐蝕傾向明顯變大，耐晶間腐蝕性能最差；熱老化10 000 h試樣經(jīng)550℃退火1 h后，Ra減小，說明晶間腐蝕傾向變小，耐晶間腐蝕性能得到恢復(fù)。研究表明[21]，雙相不銹鋼在熱老化處理過程中耐腐蝕性能下降和力學(xué)性能降低的機(jī)理并不相同，前者是由于熱老化導(dǎo)致鐵素體相內(nèi)生成貧鉻區(qū)和富鉻區(qū)，從而導(dǎo)致材料的耐晶間腐蝕性能下降，后者與α′相阻礙位錯(cuò)運(yùn)動有關(guān)。力學(xué)性能的變化直接反應(yīng)α′相的數(shù)量變化，退火導(dǎo)致α′相消失，所以力學(xué)性能立即得到恢復(fù)。但貧鉻區(qū)消失滯后于α′相的溶解，所以耐晶間腐蝕性能在550℃退火1 h處理后得到緩解，但未完全得到恢復(fù)。

3 結(jié) 論

研究熱老化對Z3CN20.09M不銹鋼的微區(qū)力學(xué)性能及晶間腐蝕性能的影響，主要結(jié)論如下。

1)隨熱老化時(shí)間的延長，試樣中鐵素體相的含量及尺寸無明顯變化，試樣組織未發(fā)生明顯變化，也未有新結(jié)構(gòu)的相形成。這是因?yàn)闊崂匣幚碓嚇又需F素體相發(fā)生調(diào)幅分解生成富鉻的納米尺度的α′相，且其與鐵素體保持共格關(guān)系，對鐵素體含量及尺寸不造成影響。

2)隨熱老化時(shí)間的延長，試樣中鐵素體相硬度升高，而奧氏體相硬度無明顯變化，但熱老化10 000 h的試樣經(jīng)550℃退火1 h處理后鐵素體硬度恢復(fù)至未熱老化水平。與鐵素體相共格的α′相硬度大并形成較大應(yīng)變能，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動使鐵素體硬度升高。退火后，α′相立即消失，力學(xué)性能恢復(fù)。

3)熱老化使試樣的耐晶間腐蝕性能下降，熱老化試樣經(jīng)550℃退火1 h處理后耐晶間腐蝕性能得到提高，但不能完全恢復(fù)至未熱老化水平。富鉻α'相的析出會導(dǎo)致周圍貧鉻，耐晶間腐蝕性能下降。退火處理時(shí)貧鉻區(qū)α′相也會消失，但需Cr原子的擴(kuò)散使其滯后于α′相的溶解，因此550℃退火1 h試樣的耐晶間腐蝕性能得到提高，但不能完全恢復(fù)至未熱老化水平。