雷玉成 唐冬梅 李天慶 朱 強(qiáng)

(江蘇大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(qiáng)

(江蘇大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013)

利用超聲波空蝕試驗(yàn)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(jié)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(yán)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(jìn)核能系統(tǒng)中，鉛鉍合金共晶體因其低熔點(diǎn)、高沸點(diǎn)、良好導(dǎo)熱性等性能作為加速器驅(qū)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(chǎn)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(yùn)動過程中，當(dāng)流速很高以至靜壓強(qiáng)低于液體氣化壓強(qiáng)時，液體內(nèi)形成無數(shù)小氣泡，隨著壓力起伏，空泡不斷生長至潰滅過程產(chǎn)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(yán)重影響了輪機(jī)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(jìn)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(jī)械加工性能在核電工業(yè)中得到廣泛應(yīng)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(jī)理進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)方法

1.1試驗(yàn)材料與焊接工藝

試驗(yàn)材料為5 mm厚的304奧氏體不銹鋼，材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)見表1。用打磨機(jī)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(jìn)行對接焊接，TIG焊接工藝參數(shù)見表2。

1.2 空泡腐蝕試驗(yàn)

利用超聲波空蝕設(shè)備在真空電阻爐中進(jìn)行空蝕試驗(yàn)，超聲波設(shè)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(yàn)介質(zhì)為液態(tài)Pb-Bi共晶合金，試驗(yàn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 TIG焊焊接工藝參數(shù)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(zhǔn)15 mm×5 mm，試樣表面經(jīng)金相砂紙逐級打磨后進(jìn)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(jié)束后將試樣取出，采用雙氧水∶乙酸∶酒精=1∶1∶1的混合液進(jìn)行清洗，將表面粘附的Pb-Bi清除干凈后用酒精進(jìn)行超聲波清洗并烘干。在空蝕試驗(yàn)后，對試樣進(jìn)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(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)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(fù)雜過程，空泡潰滅時產(chǎn)生的微射流對試樣表面產(chǎn)生分正應(yīng)力和分切應(yīng)力的作用[5]。如圖1a，1b所示，在空蝕10 h后，試樣表面出現(xiàn)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(yīng)力作用產(chǎn)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(shù)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(shù)量明顯增多，尺寸也明顯增大，試樣表面被進(jìn)一步破壞，表面不斷出現(xiàn)新的空蝕坑，小的空蝕坑擴(kuò)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(jìn)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(dǎo)致試樣表面大塊脫落，擴(kuò)大了空蝕區(qū)域。焊縫表面腐蝕情況仍嚴(yán)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(xiàn)滑移帶和裂紋，焊縫表面裂紋的尺寸更大并呈現(xiàn)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(xué)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(chǎn)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(xiàn)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(shù)量增多[8]，尺寸增大，腐蝕區(qū)域由局部擴(kuò)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(jié) 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。空蝕50 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(jìn)核裂變能——ADS嬗變系統(tǒng)[J].中國科學(xué)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(jìn)展[J].中國腐蝕與防護(hù)，2001，21(4)：250-255.

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[4]楊德鈞.金屬腐蝕學(xué)[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(xué)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(hù)，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(dǎo)師。主要從事焊接工藝及設(shè)備、焊接過程控制及模擬、先進(jìn)材料連接技術(shù)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(xué)基金資助項(xiàng)目(51375216)