對(duì)M5合金管材焊點(diǎn)周圍白色腐蝕膜的初步研究

亢方亮

（海軍裝備部，陜西 西安 710000）

1 研究背景

M5合金是一種引進(jìn)的燃料元件結(jié)構(gòu)材料，其抗水腐蝕的特性比較好，已在國內(nèi)部分反應(yīng)堆燃料元件中得到應(yīng)用。為進(jìn)一步掌握其焊接特性，在某次試驗(yàn)中采用壓力電阻焊機(jī)對(duì)M5合金管材試樣與焊舌試樣進(jìn)行了點(diǎn)焊。然而，在經(jīng)高壓釜水腐蝕（360℃，18.7MPa，72h）后，其焊接試樣的焊點(diǎn)周圍出現(xiàn)了一種近似環(huán)狀的白色腐蝕膜，如圖1所示。

為了解白色腐蝕膜是否會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)的腐蝕性能受到明顯影響，有必要開展管材與焊舌接觸面間腐蝕情況檢查、白色腐蝕膜的成份分析和長周期（200d）的水腐蝕性能試驗(yàn)初步研究。

圖1 72小時(shí)水腐蝕后試樣焊點(diǎn)周圍出現(xiàn)的白色腐蝕膜

2 試驗(yàn)主要設(shè)備、材料及試樣制作

2.1 試驗(yàn)主要設(shè)備

壓力電阻點(diǎn)焊機(jī)、水腐蝕高壓釜裝置、掃描電鏡能譜儀等[1]。

2.2 試驗(yàn)主要材料

管材材料為再結(jié)晶M5合金，厚度約0.5mm（簡稱薄壁管）及1.2mm（簡稱厚壁管）兩種；焊舌材料為再結(jié)晶M5合金，厚度約0.4mm。

2.3 焊接試樣制作

薄壁管材試樣與焊舌試樣點(diǎn)焊時(shí)采用雙焊點(diǎn)，厚壁管材試樣與焊舌試樣點(diǎn)焊時(shí)采用單焊點(diǎn)。

3 試驗(yàn)

白色腐蝕膜對(duì)焊點(diǎn)水腐蝕性能的影響可從白色腐蝕膜經(jīng)長周期水腐蝕后，其在致密性、裂紋及孔洞等特性方面的變化來分析[2]。

從本次點(diǎn)焊試樣的外觀來看，水腐蝕后白色腐蝕膜的組織致密、無疏松、無裂紋，其和焊點(diǎn)的結(jié)合程度緊密而牢固。

為進(jìn)一步研究白色腐蝕膜是否會(huì)對(duì)其中心焊點(diǎn)的焊接質(zhì)量造成明顯影響，圍繞以下幾方面進(jìn)行了試驗(yàn)：①管材與焊舌接觸面間腐蝕情況檢查；②白色腐蝕膜的成份分析；③白色腐蝕膜長周期水腐蝕。

3.1 管材與焊舌接觸面間的腐蝕情況檢查

為了解管材與焊舌接觸面間是否存在類似白色腐蝕膜，選取了白色腐蝕膜程度適中的兩個(gè)焊接水腐蝕試樣（腐蝕時(shí)間72h；第一個(gè)試樣為薄壁雙焊點(diǎn)試樣，第二個(gè)試樣為厚壁單焊點(diǎn)試樣）。

對(duì)薄壁雙焊點(diǎn)試樣使用工具鉗將點(diǎn)焊的管材與焊舌片撕開，對(duì)厚壁單焊點(diǎn)試樣采用剪切機(jī)將其分開，然后分別檢查管材及焊舌片腐蝕情況，如圖2所示。

檢查發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)試樣撕開后，管材和焊舌原接觸面的焊點(diǎn)周圍均有略帶白色的淺表腐蝕膜，且組織致密、無裂紋，跟在焊區(qū)外表面發(fā)現(xiàn)的淺表白色腐蝕膜一樣，但并不是十分明顯。采用顯微鏡觀察也是同樣的現(xiàn)象。這說明，此白色腐蝕膜也存在于管材與焊舌的內(nèi)側(cè)接觸面，與焊點(diǎn)結(jié)合緊密而牢固。

圖2 撕開后管材殘留雙焊點(diǎn)圖

3.2 白色腐蝕膜的成份分析

對(duì)于白色腐蝕膜的出現(xiàn)，更普遍的看法是在采用壓力電阻焊機(jī)點(diǎn)焊時(shí)，空氣中氮元素附著在焊點(diǎn)的焊區(qū)邊緣或熱影響區(qū)，導(dǎo)致在腐蝕試驗(yàn)后M5合金管材與焊舌點(diǎn)焊試樣焊點(diǎn)外圍出現(xiàn)白色腐蝕膜。但經(jīng)對(duì)其元素成份的檢測，在白色腐蝕膜區(qū)多個(gè)測量點(diǎn)均未發(fā)現(xiàn)含有氮元素，這說明氮的含量可能非常低，以至于無法探測出來，但也許就是這種極微量的氮元素導(dǎo)致水腐蝕后白色腐蝕膜的出現(xiàn)。

選取表面存在白色腐蝕膜的焊接試樣1個(gè)，使用掃描電鏡能譜儀對(duì)焊點(diǎn)上白色腐蝕膜、黑色氧化膜及基體進(jìn)行微區(qū)成分分析。結(jié)果顯示：在白色腐蝕膜、黑色氧化膜及基體的元素成份中，氧和鋯的含量區(qū)別不大，未見其它異常成份；由于在焊接或在試樣制備過程中可能受到外來的沾污，在白色腐蝕膜區(qū)的污塊上探測到極少的碳元素存在，可能來自灰塵等含有的碳化物。

3.3 白色腐蝕膜長周期腐蝕

點(diǎn)焊試樣在經(jīng)過3d（72h）水腐蝕后，選取出白色腐蝕膜程度較深的3個(gè)試樣在高壓釜中進(jìn)行長周期腐蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度360℃，壓力18.7MPa，時(shí)間累計(jì)200d。待完成高壓釜內(nèi)水腐蝕后，將所有3個(gè)試樣與當(dāng)初3天后的白色腐蝕膜外觀形貌進(jìn)行對(duì)應(yīng)比對(duì)，可以初步掌握這種膜經(jīng)過長周期加深腐蝕后的腐蝕特性。

從圖4和圖3進(jìn)行比對(duì)可以得出結(jié)果：白色腐蝕膜在200d的加深水腐蝕后，其形狀、面積大小及致密程度基本無差別，試樣上白色腐蝕膜并未出現(xiàn)疏松、脫落或有裂紋的現(xiàn)象。

也就是說，可能由于氮元素沾污所產(chǎn)生的白色腐蝕膜在整個(gè)加深水腐蝕過程中均無明顯變化。這種沾污導(dǎo)致在腐蝕后產(chǎn)生的白色腐蝕膜，其組織結(jié)構(gòu)不同于常見的正化學(xué)比ZrO2白色腐蝕產(chǎn)物，其并未對(duì)中心焊點(diǎn)的抗腐蝕性能造成明顯影響（對(duì)于常見的正化學(xué)比ZrO2白色腐蝕產(chǎn)物，經(jīng)過如此長周期的腐蝕，白色腐蝕產(chǎn)物將會(huì)變得疏松、更多孔洞、出現(xiàn)裂紋直至膜最終剝落）。

圖3和圖4中白色腐蝕膜的亮度和視場大小不同是由于照相本身的原因，而不是白色腐蝕膜自身的變化；圖中出現(xiàn)的疏松或點(diǎn)化物（即焊接飛濺粉化），并不是氮沾污所產(chǎn)生的白色腐蝕膜長周期腐蝕后所致，這些均為焊接時(shí)產(chǎn)生的焊接飛濺（焊接后檢查時(shí)對(duì)其進(jìn)行了記錄；其形成的主要過程應(yīng)是熔化金屬沾在焊點(diǎn)表面，導(dǎo)致焊點(diǎn)表面非常粗糙且過氧化造成）在長周期腐蝕后的形態(tài)，屬于典型現(xiàn)象，并不會(huì)對(duì)焊點(diǎn)的抗腐蝕性能造成影響。

圖3 3天水腐蝕試驗(yàn)后試樣白色腐蝕膜形貌代表圖

圖4 累計(jì)200天水腐蝕試驗(yàn)后試樣白色腐蝕膜形貌代表圖

4 結(jié)語

經(jīng)對(duì)M5合金管材與焊舌接觸面間腐蝕情況檢查、白色腐蝕膜的成份分析及白色腐蝕膜長周期腐蝕試驗(yàn)（溫度360℃、壓力18.6MPa，時(shí)間累計(jì)200d）的結(jié)果與分析，可以初步得出以下結(jié)論：M5合金管材與焊舌點(diǎn)焊試樣焊點(diǎn)周圍白色腐蝕膜的形狀、面積大小及致密程度與3d水腐蝕試驗(yàn)后的狀況相比，基本無差別，且并未出現(xiàn)孔洞、疏松、裂紋甚至膜剝落現(xiàn)象。因此，M5合金管材點(diǎn)焊試樣焊點(diǎn)周圍水腐蝕產(chǎn)生的白色腐蝕膜不會(huì)對(duì)焊點(diǎn)的抗腐蝕性能產(chǎn)生明顯影響。