奥氏体钢的打磨对腐蚀性能影响的研究

2019-01-09张艳敏杨显冬李连海刘文英

锻压装备与制造技术 2018年6期

关键词：试板外层氧化物

田云，张艳敏，杨显冬，王芳，李连海，刘文英，林斌

（1.沈阳鼓风机集团核电泵业有限公司，辽宁沈阳 110869；2.沈阳透平机械股份有限公司，辽宁沈阳 110869）

在核岛一回路系统中，主泵负责将反应堆堆芯中产生的热量传递给蒸发器二回路侧给水，属于核一级设备。泵壳作为主泵的承压主体，主要承受工作压力和热载荷，其结构完整性对于核主泵长期安全、可靠运行具有重要意义[1]。

泵壳为奥氏体不锈钢铸件，不可避免地存在补焊，补焊过程中的焊接飞溅，经打磨处理后的表面在高温高压腐蚀介质工况下的耐蚀性，是有待研究的课题。

1 焊接飞溅的产生

焊接飞溅是指电弧焊时，在熔滴过渡过程中飞向熔池之外，冷却后在焊缝及其附近残留的金属颗粒，其污染焊缝及周边区域，影响了焊接构件的外观质量[2]。

2 试样的制备

焊接试板材料与泵体同材质，为ASME SA-351 CF8A，焊接方法为手工电弧焊，焊条为E308L-16，采取对接坡口形式进行焊接。焊后，在焊缝周围的试板表面分布大量且明显的焊接飞溅，其尺寸大小不一。为了研究打磨对焊接飞溅的影响，采取飞溅区打磨区和非打磨区比对的方法，即仅对试板表面焊接飞溅的部分区域进行了砂轮打磨，打磨后的表面再经抛光处理，如图1所示。

图1 部分区域打磨后的试板

为了开展模拟核主泵实际高温高压水溶液中的浸泡腐蚀试验，采取线切割方式分割试板，试样既包含打磨区域，也包含焊接飞溅的未打磨区域。

3 试样的试验

3.1 试样的金相组织观察

试样基体材料为ASME SA-351 CF8A，化学成份为：C≤0.04% ，Si≤2.0% ，Mn≤1.5%，P≤0.04%，S≤0.04%，Ni 8～11%，Cr 18～21%。

经低倍金相观察，属于典型的奥氏体晶粒组织，局部分布有明显的方向大致相同的条带状组织。经高倍金相观察，奥氏体晶粒中含有大量的退火孪晶，带状组织近似相互平行，由大量的尺寸细小的和部分较大尺寸的形状不规则的晶粒构成，与其周围的奥氏体组织有明显的区别，因而推测可能存在第二相。利用配有能谱分析系统（EDS）的扫描电子显微镜（SEM）观察试样局部金相组织，并分析局部的化学组成，第二相中含有较高含量的Cr，而Ni含量低于基体，因而推测该第二相应该为铁素体组织。

所以，试样主要为晶粒尺寸较细小的典型奥氏体组织，并含有呈一定方向分布的铁素体条带。

3.2 高温高压浸泡腐蚀试验

试验设备采用配有水循环系统的动态高压釜，模拟核电环境中的高温高压腐蚀工况，利用不锈钢丝将试样悬挂在高压釜中，在高温高压溶液中连续浸泡794h。试验结束后，漂洗浸泡试样表面的沉积物，吸干其水分并干燥，采用配有能谱系统的扫描电子显微镜观察浸泡后试样表面腐蚀产物形貌并分析局部化学组成。

图2a～c和2d～f分别为焊接飞溅打磨区试样和未打磨区试样在试验溶液中浸泡794h后表面氧化物形貌观察结果。两种试样表面均覆盖有氧化物颗粒，如图2a、2d，并局部放大观察，每种试样表面的氧化物颗粒的尺寸又不同。氧化膜的最外面均为尺寸较大的分散的大颗粒氧化物，尺寸从1μm到几个μm不等，如图2b、2e中的数字1所示。在氧化膜外层大颗粒氧化物的周围还有一些分散的尺寸小于1μm的颗粒氧化物，如图2c、2f中的数字2所示。氧化膜的底层为致密的尺寸约有的100nm左右的小颗粒氧化物，如图2c、2f中的数字3所示。仔细对比图2b、e中打磨试样和未打磨试样表面形貌，打磨后试样的氧化膜最外层大颗粒氧化物1的尺寸要明显小于未打磨试样。但打磨处理对氧化物颗粒2和3的尺寸的影响不明显。

图2 高温高压腐蚀溶液中浸泡后的表面形貌观察

表1是图2中打磨区和未打磨区数字1～3位置不同氧化物的SEM-EDS化学组成分析结果。打磨区氧化物颗粒1和2的化学组成相似，主要为富含Fe和Cr的氧化物，而Ni含量较少，且Cr含量与基体相当，而Ni含量低于基体，Fe含量高于基体。相比氧化物颗粒1和2，内层小颗粒氧化物3中的Ni和Cr含量均升高，Cr含量高于基体，Ni含量与基体相当。而未打磨样品表面的大颗粒氧化物1也主要为富含Fe和Cr的氧化物，Ni含量很低，Fe含量高于基体；小颗粒氧化物2中Ni含量升高至于基体相当，Cr含量升高至约10%，但仍低于基体含量；小颗粒氧化物3中的Ni含量继续升高，并高于基体，Cr含量虽有升高，但仍低于基体含量。

因而打磨表面的氧化膜从外层向内层，Ni含量由约3.8%逐渐升高至约10%，Cr含量由约19.5%升高至约23.4%。未打磨表面的氧化膜从外层向内层，Ni含量由约2.8%逐渐升高至高于基体，而Cr含量由约8%升高至约14.6%。因而打磨处理表面生长的氧化物中Cr含量明显高于未打磨表面，Ni含量低于未打磨表面。两种表面大颗粒氧化物1和2中的Fe含量均高于基体。