奧氏體鋼的打磨對腐蝕性能影響的研究

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(jī)集團(tuán)核電泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽 110869；2.沈陽透平機(jī)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(yùn)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(bǔ)焊，補(bǔ)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(shí)，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(jìn)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(jìn)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(shí)際高溫高壓水溶液中的浸泡腐蝕試驗(yàn)，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(yàn)

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(yàn)

試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(gè)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(yàn)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(hù)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)。