304L不銹鋼焊接接頭表面狀態對其在硼酸溶液中腐蝕行為的影響

, ,,,

(1. 中廣核工程有限公司,深圳 518124; 2. 蘇州熱工研究院 電站壽命管理技術中心,蘇州 215004)

304L不銹鋼屬于超低碳奧氏體型不銹鋼，因其具有優良的力學、焊接及耐腐蝕等性能而廣泛應用在核電領域的管道、堆內構件、驅動機構、乏燃料貯存格架等關鍵構件上。在長期服役過程中，304L不銹鋼的焊接位置往往是構件發生腐蝕失效的首要部位，所以近年來不銹鋼焊縫的耐蝕性開始受到人們的關注[1-3]。曾榮昌等[4]指出奧氏體不銹鋼焊接過程中的殘余應力以及由第二相沉淀導致的晶體晶格畸變從而產生的內應力容易使焊縫處發生晶間腐蝕。GARCIA等[5-6]利用動電位掃描和激光掃描共聚焦顯微鏡原位觀察等方法研究了304L焊接接頭腐蝕情況，發現焊接后304L不銹鋼基材、熱影響區和焊縫區電化學性能差異很大，點蝕優先在熱影響區產生，焊縫區域在腐蝕過程中充當腐蝕原電池的陰極。

焊接區域的腐蝕行為往往決定著整個焊接結構的服役壽命，焊接成型后常常需要對焊接接頭表面進行不同的打磨處理以滿足工件表面粗糙度的要求，不同打磨工藝及表面粗糙度對材料表面的耐腐蝕有不同程度的影響[7-8]。但打磨工藝對焊接接頭耐腐蝕性能影響的研究鮮有報道，特別在核電應用領域，例如在硼酸溶液中，對焊接接頭腐蝕行為還未見報道。

本工作以核電廠乏燃料貯存格架用304L不銹鋼焊接接頭為研究對象，以格架的實際服役環境為基礎，綜合采用浸泡腐蝕試驗、電化學試驗等方法對焊接接頭的腐蝕性能進行評價，然后用光學顯微鏡和掃描電鏡等分析手段，研究了304不銹鋼焊接接頭表面狀態對其在硼酸溶液中腐蝕行為的影響，獲得焊接接頭在硼酸溶液中的腐蝕規律。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗材料為304L奧氏體不銹鋼，其化學成分如表1所示，其組織為典型的奧氏體晶粒，晶粒大小均勻，如圖1所示。

表1 304L不銹鋼的化學成分(質量分數)Tab. 1 Chemical composition of 304L stainless steel (mass) %

圖1 304L不銹鋼的顯微組織Fig. 1 Microstructure of 304L stainless steel

1.2 試驗方法

將兩塊2 mm厚度的304L不銹鋼板采用鎢極惰性氣體保護焊進行焊接，焊接電流130～180 A，電壓6～12 V，焊接速率2～6 mm/s。從焊接接頭處截取試樣，采用水砂紙逐級(至2 000 號)打磨試樣表面，然后用去離子水沖洗(以下稱2 000號砂紙打磨試樣)；同時，另外選取2個接頭試樣，采用40號砂紙打磨、機械拋光的方法分別對其表面進行處理(以下分別稱40號砂紙打磨和機械拋光試樣)。利用蔡司Axiover 200MAT光學顯微鏡對焊接接頭的縱截面進行微觀組織觀察。

浸泡腐蝕試驗溶液為硼酸溶液，采用硼酸和超純水配制，B3+的質量濃度為2.5 g/L，pH為4.8～5.5，試驗溫度為80 ℃。對未經打磨的原始狀態焊接接頭(以下稱原始試樣)和2 000號砂紙打磨試樣分別進行48，96，144，192 h的浸泡腐蝕試驗。試驗結束后，取出試樣，用去離子水洗凈，冷風吹干。

用Model XS105DU型電子天平稱量試樣腐蝕前后的質量差，并計算腐蝕速率；用Cambridge-S360掃描電鏡(SEM)觀察試樣表面和截面的腐蝕形貌。對40號砂紙打磨、機械拋光試樣進行表面粗糙度和極化曲線測試。表面粗糙度測試在Keyence VK-100K型三維形貌儀上進行；極化曲線測試在Salartron 12608W型電化學工作站上并采用三電極體系進行。其中，工作電極為待測接頭試樣，輔助電極為Pt電極，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，測試溶液為上述硼酸溶液，掃描速率為20 mV/min。

2 結果與討論

2.1 焊接接頭的微觀組織

304L不銹鋼焊接接頭的微觀組織如圖2所示。從圖2可以看到：焊縫區組織為柱狀枝晶，枝晶生長方向為由母材向焊縫中心生長，兩側焊縫在中心交織，靠近內壁側熱影響區均有不同程度的粗晶組織，最大粗晶晶粒度約為2級，熱影響區寬度為490～585 μm。

(a) 焊接接頭縱截面

(b) 接頭焊縫區圖2 304L不銹鋼焊接接頭縱截面及其焊縫區的微觀組織Fig. 2 Microstructure of the longitudinal sections of 304L stainless steel welded joint (a) and its weld zone (b)

2.2 腐蝕速率和腐蝕形貌

圖3為原始試樣和2 000號砂紙打磨試樣在硼酸溶液中的腐蝕速率。從圖3中可以看到：在浸泡初期(0～96 h)原始試樣的腐蝕速率快速上升，浸泡96 h時，達到最大值，之后隨著浸泡時間的延長，腐蝕速率緩慢下降至穩定值；2 000號砂紙打磨試樣的腐蝕速率比較穩定，與原始試樣相比，其腐蝕速率大大降低。在浸泡后期，兩種試樣的腐蝕速率都達到了相對穩定的狀態，但原始試樣的腐蝕速率仍然高出了2 000號砂紙打磨試樣一個數量級。以上結果表明，打磨可以很好地改善焊接接頭的耐蝕性。

圖3 原始試樣和2 000號砂紙打磨試樣在硼酸溶液中的腐蝕速率Fig. 3 Corrosion rates of original sample and No. 2 000 sandpaper sanded sample in boric acid solution

另外，從圖3中還可以看出，試樣的腐蝕速率在試驗初期會出現負值，這表明材料發生了腐蝕增重現象。這是因為試驗初期，腐蝕形成的產物附著在試樣表面，造成其質量增加，腐蝕速率呈現負值，特別是原始試樣，浸泡初期其質量增加明顯。

原始試樣在硼酸溶液中腐蝕192 h后的表面形貌和截面形貌如圖4所示。從圖4中可以看出，在試驗條件下經192 h硼酸溶液腐蝕后，焊接接頭表面發生了一定程度的均勻腐蝕，從其截面形貌上也可以看出腐蝕的痕跡。

圖5是2000號砂紙打磨試樣經192 h硼酸溶液腐蝕后的表面形貌和截面形貌。從圖5中可以看到:2 000號砂紙打磨試樣在硼酸溶液中腐蝕192 h后表面仍然呈現銀白色金屬光澤,截面處無明顯腐蝕現象。

2.3 表面粗糙度對耐蝕性的影響

圖6是40號砂紙打磨試樣和機械拋光試樣的表面形貌。結果表明：經40號砂紙打磨后，試樣表面有明顯的磨痕；而經機械拋光后，試樣表面無明顯起伏。

(a) 表面形貌

(b) 截面形貌圖4 原始試樣在硼酸溶液中腐蝕192 h后的表面形貌和截面形貌Fig. 4 Surface morphology (a) and cross-section morphology (b) of original sample corroded in boric acid solution for 192 h

(a) 表面形貌

(b) 截面形貌圖5 2 000號砂紙打磨試樣在硼酸溶液中腐蝕192 h后的表面形貌和截面形貌Fig. 5 Surface morphology (a) and cross-section morphology (b) of No. 2 000 sandpaper sanded sample corroded in boric acid solution for 192 h

(a) 40號砂紙打磨試樣

(b) 機械拋光試樣圖6 40號砂紙打磨試樣和機械拋光試樣的表面形貌Fig. 6 Surface morphology of No.40 sandpaper sanded sample (a) and mechanically polished sample (b)

圖7是40號砂紙打磨試樣和機械拋光試樣表面粗糙度的變化曲線。結果表明：經過40號砂紙打磨后，試樣表面粗糙度為1.09 μm；而經機械拋光后，試樣的表面粗糙度僅為0.10 μm，遠小于40號砂紙打磨試樣的。

圖7 40號砂紙打磨試樣和機械拋光試樣表面粗糙度的變化曲線Fig. 7 Surface roughness curves of No. 40 sandpaper sanded sample and mechanically polished sample

圖8是40號砂紙打磨試樣和機械拋光試樣的極化曲線。從圖8中可以看到：機械拋光試樣的自腐蝕電位和擊破電位均高于40號砂紙打磨試樣的，這說明機械拋光試樣的耐蝕性優于40號砂紙打磨試樣的。試驗結果表明，表面粗糙度越小，焊接接頭的耐蝕性越好，這與浸泡腐蝕試驗結果是一致的。

圖8 40號砂紙打磨試樣和機械拋光試樣的極化曲線Fig. 8 Polarization curves of No. 40 sandpaper sanded sample and mechanically polished sample

3 結論

(1) 核電廠乏燃料格架用304L不銹鋼焊接接頭組織均勻，最大晶粒度約為2級，焊接熱影響區寬度為490～585 μm。

(2) 在硼酸溶液中浸泡的前96 h，未經打磨焊接接頭的腐蝕速率快速增大，隨后小幅降低并趨于穩定，經2 000號砂紙打磨焊接接頭的腐蝕速率在整個試驗過程中比較穩定，且遠小于未經打磨焊接接頭的。

(3) 經40號砂紙打磨后焊接接頭的表面粗糙度遠大于機械拋光后試樣的，但前者的自腐蝕電位低于后者的，這說明表面粗糙度越小耐蝕性越好。

參考文獻：

[1] 王軻，柳俊良，韓翠. 奧氏體不銹鋼焊縫接頭腐蝕性分析[J]. 焊接技術,2014，5(4)：16-18.

[2] 呂虹瑋，董士剛，王靜靜. 316L不銹鋼焊縫腐蝕行為的電化學研究[J]. 科技導報，2013，31(Z1):25-28.

[3] 李巖，方可偉，劉飛華. Cl-對304L不銹鋼從點蝕到應力腐蝕轉變行為的影響[J]. 腐蝕與防護，2012，33(11):955-959.

[4] 曾榮昌,韓恩厚. 材料的腐蝕與防護[M]. 北京:化學工業出版社,2006.

[5] GARCIA C,MARTIN F,DE TIEDRA P,et al. Pitting corrosion of welded joints of austenitic stainless steels studied by using an electrochemical minicell[J]. Corrosion Science,2008,50:1184-1194.

[6] GARCIA C,TIEDRA M,BLANCO Y,et al. Intergranular corrosion of welded joints of austenitic stainless steels studied by using an electrochemical minicell[J]. Corrosion Science,2008,50:2390-2397.

[7] GHOSH S,KAIN V. Microstructural changes in AISI 304L stainless steel due to surface machining:effect on its susceptibility to chloride stress corrosion cracking[J]. Journal of Nuclear Materials,2010,403:62-67.

[8] SARATA C,LYDIA L,BENOIT T. Effect of surface preparation on the corrosion of austenitic stainless steel 304L in high temperature steam and simulated PWR primary water[J]. Corrosion Science,2012,56:209-216.