雷玉成 張 波 郭曉凱

(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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熱輸入對(duì)316L焊接接頭在液態(tài)LBE中的空泡腐蝕影響

雷玉成 張 波 郭曉凱

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

研究不同熱輸入下316L 焊接接頭和母材在550 ℃液態(tài)鉛鉍合金中的空泡腐蝕行為。試驗(yàn)結(jié)束后，使用掃描電子顯微鏡(SEM)和原子力顯微鏡(AFM)對(duì)空蝕80 h 后的試樣進(jìn)行表面形貌和粗糙度分析。研究表明，316L不銹鋼焊縫在液態(tài)Pb-Bi 中的抗空蝕能力取決于奧氏體晶粒的大小，焊接熱輸入增大，奧氏體晶粒長(zhǎng)大，焊縫的抗空蝕能力變差。在空蝕時(shí)間相同的情況下，316L 母材的抗空蝕能力優(yōu)于焊縫。

空泡腐蝕316L 不銹鋼焊接接頭鉛鉍合金

0 序言

能源是決定當(dāng)前社會(huì)能否得到可持續(xù)發(fā)展的最重要因素，而核能的使用有助于緩解當(dāng)前能源困境[1]。液態(tài)鉛鉍共晶合金具有突出的中子學(xué)性能、抗輻照性、傳熱性和安全性，常被用作核動(dòng)力加速器、次臨界驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和鉛冷快堆的冷卻劑[2-3]，但流動(dòng)的液態(tài)鉛鉍會(huì)對(duì)循環(huán)回路中的管道、儲(chǔ)存箱以及主泵葉輪材料造成嚴(yán)重的腐蝕。以葉輪為例，當(dāng)葉輪表面產(chǎn)生渦流時(shí)，會(huì)帶來壓力的突變，在低壓區(qū)可使溶解的氣體析出或使介質(zhì)氣化，在葉輪表面產(chǎn)生空泡腐蝕，降低其使用壽命和增加其維修成本。在空蝕初級(jí)階段，材料表面會(huì)形成一些細(xì)小的坑洞[4]，隨著空泡腐蝕的不斷進(jìn)行，后期材料表面會(huì)產(chǎn)生大范圍的密集坑群和裂縫[5-6]。316L 奧氏體鋼具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能[7]，被廣泛應(yīng)用于管道和葉輪的制造中，其主要焊接方法為TIG 焊(鎢極氬弧焊)[8]。文中對(duì)比空蝕80 h 后316L 焊接接頭和母材表面形貌和粗糙度的變化，研究熱輸入對(duì)316L 焊接接頭在550℃液態(tài)LBE 中的空泡腐蝕行為的影響，為提高核反應(yīng)堆部件的耐腐蝕性提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)材料與焊接工藝

試驗(yàn)材料為5 mm 厚的316L 奧氏體不銹鋼，材料化學(xué)成分見表1。用打磨機(jī)去除316L奧氏體不銹鋼表面的氧化層后用酒精清洗并干燥。采用TIG焊接方法對(duì)316L奧氏體不銹鋼進(jìn)行對(duì)接焊，TIG焊接工藝參數(shù)見表2。

1.2 空泡腐蝕試驗(yàn)

圖1 為自主設(shè)計(jì)一套超聲波空泡腐蝕裝置示意圖。超聲波振動(dòng)儀參數(shù)：功率3 000 W，頻率19.2 kHz，振幅50 μm，試驗(yàn)溫度550 ℃。

首先把試樣安裝在試樣臺(tái)上，調(diào)整變幅桿末端和試樣上表面距離為2 mm，之后啟動(dòng)電阻爐電源，加熱并使坩堝溫度保持在550 ℃。將試樣臺(tái)及變幅桿移到液態(tài)鉛鉍中后，開啟超聲波電源，開始進(jìn)行空泡腐蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后，先將變幅桿及試樣臺(tái)移至液面以上，待爐內(nèi)溫度冷卻至室溫后取出試樣，用自行調(diào)配的雙氧水、冰醋酸和酒精(1∶1∶1)的混合溶液對(duì)其進(jìn)行反復(fù)清洗，盡可能減少附著在其表面的鉛鉍。用JOELJSM-7001F 掃描電子顯微鏡(SEM)觀察空泡腐蝕80 h 后試樣的表面形貌；用原子力顯微鏡(AFM)測(cè)定空泡腐蝕80 h 后試樣表面的粗糙度。

2 結(jié)果與討論

2.1 空蝕前焊縫金相組織和硬度

鐵素體在316L 焊后凝固的過程中首先析出，不同部位鐵素體的形貌特征與焊后冷卻速度有關(guān)。316L焊縫的顯微組織中鐵素體分布在奧氏體晶粒上。在圖2a 中，試樣1 的焊接熱輸入為6.4 kJ/cm，其焊后冷卻速度是3 者中最快的，其金相呈現(xiàn)出良好的柱狀晶形貌特征，奧氏體晶粒的尺寸較小。因?yàn)檫^快的冷卻速度，鐵素體留存的最多，保留下來的鐵素體就以不連續(xù)網(wǎng)狀或蠕蟲狀的形式分布在奧氏體基體上。在圖2b 中，試樣2 的焊接熱輸入為9.6 kJ/cm，冷卻速度降下來，部分高溫鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，在殘余熱量的作用下，轉(zhuǎn)變得到的奧氏體依附著鐵素體進(jìn)行形核，并且包圍著鐵素體進(jìn)行生長(zhǎng)，此時(shí)鐵素體的含量明顯減少。在圖2c 中，試樣3 的焊接熱輸入為14.2 kJ/cm，冷卻速度最慢，F(xiàn)-A 結(jié)晶過程的時(shí)間最為充裕，剩余鐵素體量較少，轉(zhuǎn)變得到的奧氏體晶粒較粗大。

圖3 為不同熱輸入下316L 焊接接頭從母材到焊縫中心處的硬度變化。在同一熱輸入下，焊縫區(qū)域的硬度明顯高于其它區(qū)域，焊接過程中焊縫區(qū)處于高溫，冷卻至室溫時(shí)會(huì)發(fā)生相變，焊縫的硬度增加。熱輸入不同的情況下，隨著焊接熱輸入的增加，奧氏體晶粒會(huì)受熱粗化，焊縫區(qū)域的平均硬度逐漸降低。

2.2 空蝕80 h 后焊縫的表面形貌和粗糙度

圖4 為316L 母材和三個(gè)不同熱輸入下的316L 焊接接頭試樣在溫度為550 ℃液態(tài)Pb-Bi 共晶合金中經(jīng)空泡腐蝕80 h 后的SEM 形貌圖。圖4a 為母材的SEM圖，此時(shí)母材表面產(chǎn)生細(xì)微的塑性變形，其左上角能看到細(xì)長(zhǎng)的裂紋，其表面空蝕坑的數(shù)目較少，凸起程度不嚴(yán)重，此時(shí)母材表面仍保持較好的綜合性能。圖4b 為試樣1 空泡腐蝕后表面形貌，相比母材而言試樣表面的空蝕坑明顯增多，形成少量的“凸起”，右側(cè)的空蝕坑有聚集的趨勢(shì)。在空蝕坑里能看見明亮的光點(diǎn)，這表明部分顆粒狀Pb-Bi 合金嵌于腐蝕層表面及其孔隙內(nèi)。圖4c 為試樣2 空泡腐蝕后的表面形貌，此時(shí)空蝕點(diǎn)坑的數(shù)目顯著增加，其內(nèi)部含有Pb-Bi 液的坑洞數(shù)目也增加了，一些小的空蝕坑聚在一起形成了更大的蝕坑，并且它們的形狀呈明顯差異性。圖4d 為試樣3 空泡腐蝕后表面形貌，此時(shí)試樣表面的坑洞數(shù)目大大增加，孔洞的增多帶來表面材料的大規(guī)模脫落，大量細(xì)小的空蝕坑聚集起來形成大面積的孔洞，材料表面腐蝕嚴(yán)重，此時(shí)材料的性能較差，數(shù)目眾多的Pb-Bi 液浸入孔洞中，在圖上形成顯眼的銀白色區(qū)域。

材料邊緣地帶屬于應(yīng)力敏感區(qū)域，對(duì)空化應(yīng)力的抵抗力較弱，容易造成表面材料的脫落，因此四幅圖上空蝕坑聚集區(qū)均發(fā)生在這些區(qū)域。母材與焊縫抗空泡腐蝕能力的差異主要是由于其形變能力的不同，母材由于沒有受到焊接熱輸入的影響，其組織為細(xì)小且均勻分布的奧氏體晶粒，空化應(yīng)力對(duì)材料表面造成的變形可以均勻分布到更多的晶粒內(nèi)，使每個(gè)晶粒所受變形更為均勻。另外母材晶粒越細(xì)小，其具有更多的晶界曲折，可以在一定程度上阻礙裂紋的傳播，因此能有效抵抗空泡腐蝕的作用，故母材表現(xiàn)出極強(qiáng)的抗空蝕能力。焊縫區(qū)由于受到焊接熱輸入影響，內(nèi)部奧氏體晶粒開始粗化，從試樣1 到試樣3 所受的熱輸入呈增加的趨勢(shì)，晶粒度因此增大，試樣的耐空蝕性變?nèi)酢?/p>

圖5為316L母材和三個(gè)不同熱輸入下的316L 焊接接頭試樣在550 ℃液態(tài)Pb-Bi 共晶合金中空泡腐蝕80 h后的AFM 形貌圖。圖5a 為母材的AFM 圖，可以看到母材表面較為平整，其最大空蝕深度約為1.1 μm，表面粗糙度為6.7 μm。圖5b為試樣1的AFM圖，腐蝕層表面呈現(xiàn)顯眼的溝壑狀形態(tài)，并且形貌具備一定的方向性，其最大空蝕坑深度約為1.4 μm，試樣1 的表面粗糙度達(dá)到了8.5μm。圖5c 為試樣2 的AFM 圖，腐蝕層表面的高度差明顯，出現(xiàn)了明顯的山脈狀形貌特征，表面的起伏嚴(yán)重，粗糙度達(dá)到了一個(gè)新的高值，其最大空蝕坑深度約為1.5μm，表面粗糙度為9.4 μm。圖5d為試樣3的AFM圖，表面的起伏呈山脈狀，其范圍廣泛，最大空蝕坑深度達(dá)到了1.8 μm，表面的粗糙度為10.2 μm。

3 結(jié)論

(1)316L 焊縫的硬度值與焊接熱輸入的關(guān)系為焊接熱輸入越小，焊縫的硬度值越大；同一焊接熱輸入下，焊縫區(qū)的硬度普遍高于熱影響區(qū)的硬度。

(2)在550 ℃液態(tài)Pb-Bi 合金中空泡腐蝕80 h 后，對(duì)比不同熱輸入下試樣空蝕后的SEM 和AFM 形貌，可知隨著焊接熱輸入的增大，316L 不銹鋼焊縫區(qū)奧氏體晶粒開始長(zhǎng)大，其抗空蝕能力減弱。母材的耐空蝕性能優(yōu)于焊縫。

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2017-03-06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375216)

TG47

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。