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      奧氏體鋼的打磨對腐蝕性能影響的研究

      2019-01-09 08:48:42張艷敏楊顯冬李連海劉文英
      鍛壓裝備與制造技術(shù) 2018年6期
      關(guān)鍵詞:試板外層氧化物

      田 云 ,張艷敏 ,楊顯冬,王 芳 ,李連海,劉文英 ,林 斌

      (1.沈陽鼓風(fēng)機集團核電泵業(yè)有限公司,遼寧 沈陽 110869;2.沈陽透平機械股份有限公司,遼寧 沈陽 110869)

      在核島一回路系統(tǒng)中,主泵負(fù)責(zé)將反應(yīng)堆堆芯中產(chǎn)生的熱量傳遞給蒸發(fā)器二回路側(cè)給水,屬于核一級設(shè)備。泵殼作為主泵的承壓主體,主要承受工作壓力和熱載荷,其結(jié)構(gòu)完整性對于核主泵長期安全、可靠運行具有重要意義[1]。

      泵殼為奧氏體不銹鋼鑄件,不可避免地存在補焊,補焊過程中的焊接飛濺,經(jīng)打磨處理后的表面在高溫高壓腐蝕介質(zhì)工況下的耐蝕性,是有待研究的課題。

      1 焊接飛濺的產(chǎn)生

      焊接飛濺是指電弧焊時,在熔滴過渡過程中飛向熔池之外,冷卻后在焊縫及其附近殘留的金屬顆粒,其污染焊縫及周邊區(qū)域,影響了焊接構(gòu)件的外觀質(zhì)量[2]。

      2 試樣的制備

      焊接試板材料與泵體同材質(zhì),為ASME SA-351 CF8A,焊接方法為手工電弧焊,焊條為E308L-16,采取對接坡口形式進行焊接。焊后,在焊縫周圍的試板表面分布大量且明顯的焊接飛濺,其尺寸大小不一。為了研究打磨對焊接飛濺的影響,采取飛濺區(qū)打磨區(qū)和非打磨區(qū)比對的方法,即僅對試板表面焊接飛濺的部分區(qū)域進行了砂輪打磨,打磨后的表面再經(jīng)拋光處理,如圖1所示。

      圖1 部分區(qū)域打磨后的試板

      為了開展模擬核主泵實際高溫高壓水溶液中的浸泡腐蝕試驗,采取線切割方式分割試板,試樣既包含打磨區(qū)域,也包含焊接飛濺的未打磨區(qū)域。

      3 試樣的試驗

      3.1 試樣的金相組織觀察

      試樣基體材料為ASME SA-351 CF8A,化學(xué)成份為:C≤0.04% ,Si≤2.0% ,Mn≤1.5%,P≤0.04%,S≤0.04%,Ni 8~11%,Cr 18~21%。

      經(jīng)低倍金相觀察,屬于典型的奧氏體晶粒組織,局部分布有明顯的方向大致相同的條帶狀組織。經(jīng)高倍金相觀察,奧氏體晶粒中含有大量的退火孿晶,帶狀組織近似相互平行,由大量的尺寸細(xì)小的和部分較大尺寸的形狀不規(guī)則的晶粒構(gòu)成,與其周圍的奧氏體組織有明顯的區(qū)別,因而推測可能存在第二相。利用配有能譜分析系統(tǒng)(EDS)的掃描電子顯微鏡(SEM)觀察試樣局部金相組織,并分析局部的化學(xué)組成,第二相中含有較高含量的Cr,而Ni含量低于基體,因而推測該第二相應(yīng)該為鐵素體組織。

      所以,試樣主要為晶粒尺寸較細(xì)小的典型奧氏體組織,并含有呈一定方向分布的鐵素體條帶。

      3.2 高溫高壓浸泡腐蝕試驗

      試驗設(shè)備采用配有水循環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)高壓釜,模擬核電環(huán)境中的高溫高壓腐蝕工況,利用不銹鋼絲將試樣懸掛在高壓釜中,在高溫高壓溶液中連續(xù)浸泡794h。試驗結(jié)束后,漂洗浸泡試樣表面的沉積物,吸干其水分并干燥,采用配有能譜系統(tǒng)的掃描電子顯微鏡觀察浸泡后試樣表面腐蝕產(chǎn)物形貌并分析局部化學(xué)組成。

      圖2a~c和2d~f分別為焊接飛濺打磨區(qū)試樣和未打磨區(qū)試樣在試驗溶液中浸泡794h后表面氧化物形貌觀察結(jié)果。兩種試樣表面均覆蓋有氧化物顆粒,如圖2a、2d,并局部放大觀察,每種試樣表面的氧化物顆粒的尺寸又不同。氧化膜的最外面均為尺寸較大的分散的大顆粒氧化物,尺寸從1μm到幾個μm不等,如圖2b、2e中的數(shù)字1所示。在氧化膜外層大顆粒氧化物的周圍還有一些分散的尺寸小于1μm的顆粒氧化物,如圖2c、2f中的數(shù)字2所示。氧化膜的底層為致密的尺寸約有的100nm左右的小顆粒氧化物,如圖2c、2f中的數(shù)字3所示。仔細(xì)對比圖2b、e中打磨試樣和未打磨試樣表面形貌,打磨后試樣的氧化膜最外層大顆粒氧化物1的尺寸要明顯小于未打磨試樣。但打磨處理對氧化物顆粒2和3的尺寸的影響不明顯。

      圖2 高溫高壓腐蝕溶液中浸泡后的表面形貌觀察

      表1是圖2中打磨區(qū)和未打磨區(qū)數(shù)字1~3位置不同氧化物的SEM-EDS化學(xué)組成分析結(jié)果。打磨區(qū)氧化物顆粒1和2的化學(xué)組成相似,主要為富含F(xiàn)e和Cr的氧化物,而Ni含量較少,且Cr含量與基體相當(dāng),而Ni含量低于基體,F(xiàn)e含量高于基體。相比氧化物顆粒1和2,內(nèi)層小顆粒氧化物3中的Ni和Cr含量均升高,Cr含量高于基體,Ni含量與基體相當(dāng)。而未打磨樣品表面的大顆粒氧化物1也主要為富含F(xiàn)e和Cr的氧化物,Ni含量很低,F(xiàn)e含量高于基體;小顆粒氧化物2中Ni含量升高至于基體相當(dāng),Cr含量升高至約10%,但仍低于基體含量;小顆粒氧化物3中的Ni含量繼續(xù)升高,并高于基體,Cr含量雖有升高,但仍低于基體含量。

      因而打磨表面的氧化膜從外層向內(nèi)層,Ni含量由約3.8%逐漸升高至約10%,Cr含量由約19.5%升高至約23.4%。未打磨表面的氧化膜從外層向內(nèi)層,Ni含量由約2.8%逐漸升高至高于基體,而Cr含量由約8%升高至約14.6%。因而打磨處理表面生長的氧化物中Cr含量明顯高于未打磨表面,Ni含量低于未打磨表面。兩種表面大顆粒氧化物1和2中的Fe含量均高于基體。

      表1 圖2中數(shù)字1~3位置不同氧化物的SEM-EDS化學(xué)組成分析/wt.%

      4 結(jié)論

      (1)ASME SA-351 CF8A試樣為典型的奧氏體組織,且含有呈一定方向分布的鐵素體條帶。

      (2)高溫高壓浸泡腐蝕試驗后,打磨處理試樣最外層的氧化物顆粒尺寸減小,致密度增加。

      (3)打磨處理后試樣表面生長的氧化膜中含有更高含量的Cr,氧化膜的保護性增加。這可能與打磨處理在樣品表面引入的冷加工影響層有關(guān)。

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