焊態(tài)下CLAM鋼與316L不銹鋼在液態(tài)鉛鉍合金中的腐蝕行為研究.pdf

1、在未來(lái)核工程領(lǐng)域，使用傳統(tǒng)的液態(tài)水對(duì)核設(shè)備裝置進(jìn)行冷卻越來(lái)越不能滿足實(shí)際要求，由于液態(tài)金屬具有良好的導(dǎo)熱性能，可被用來(lái)作為原子能反應(yīng)堆的冷卻劑。在未來(lái)的聚變示范堆的計(jì)劃使用中，液態(tài)金屬可作為氚增值劑和核反應(yīng)設(shè)備冷卻劑在包層管道內(nèi)流動(dòng)，生產(chǎn)氚的同時(shí)將包層內(nèi)產(chǎn)生的熱能帶出。由于固態(tài)金屬材料部件長(zhǎng)時(shí)間暴露在液態(tài)金屬中，會(huì)產(chǎn)生固態(tài)金屬組分元素的溶解，同時(shí)形成化學(xué)腐蝕反應(yīng)產(chǎn)物，形成溶解腐蝕現(xiàn)象。如果液態(tài)金屬與設(shè)備材料組分有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，液態(tài)金屬

2、以及液態(tài)金屬中的顆粒物質(zhì)會(huì)對(duì)設(shè)備的材料組分產(chǎn)生沖刷作用，同時(shí)對(duì)材料組分表面形成的保護(hù)性物質(zhì)有破壞作用，使得固態(tài)金屬表面不斷破壞和損失，固態(tài)金屬受到溶解腐蝕的同時(shí)還遭受摩擦磨損腐蝕的破壞。熔焊接頭是核工程設(shè)備制造和管道連接中的重要組成部分，其耐蝕性將決定著設(shè)備和管道的壽命，所以研究焊接接頭在液態(tài)金屬中的腐蝕狀況具有一定的理論意義和實(shí)際意義。
　　CLAM鋼(China low activation martensitic)，是聚變反

3、應(yīng)堆中第一壁和反應(yīng)堆包層使用材料中的首選結(jié)構(gòu)材料之一，也是2001年后我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)研制成的具有中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)優(yōu)化了其成分及性能的低活化鐵素體/馬氏體鋼RAFM鋼。本文樣品采用GTAW鎢級(jí)氬弧焊方法對(duì)開(kāi)V型坡口的CLAM鋼焊板進(jìn)行對(duì)接焊后切割而成。試樣在200℃下氧飽和的液態(tài)鉛鉍共晶合金中預(yù)腐蝕80h后進(jìn)行液態(tài)金屬腐蝕實(shí)驗(yàn)，液態(tài)金屬腐蝕實(shí)驗(yàn)溫度為500℃，腐蝕時(shí)間為400小時(shí)，實(shí)驗(yàn)中液態(tài)鉛鉍共晶合金呈靜態(tài)。研究預(yù)腐蝕或預(yù)氧化后對(duì)CLAM

4、鋼在液態(tài)Pb-Bi共晶合金中腐蝕的影響。研究表明:經(jīng)500℃時(shí)，CLAM鋼GTAW焊接接頭和母材在氧飽和的Pb-Bi共晶合金中靜態(tài)腐蝕400h后，表面均有氧化層形成。氧化層分三層，第一氧化層的主要成分為Fe3O4，第二氧化層的主要成分為Fe3O4和Fe、Cr的氧化物FeCr2O4的混合層。第三氧化層的主要成分為Fe、Cr的氧化物FeCr2O4。腐蝕過(guò)程中形成的Fe3O4和FeCr2O4都比較致密，都可以一定程度上阻礙腐蝕的進(jìn)一步進(jìn)行。F

5、eCr2O4氧化層更為致密，能夠有效降低焊接接頭中Fe、Cr等合金元素向Pb-Bi共晶合金中的溶解。但Fe3O4易與Pb發(fā)生氧化還原反應(yīng)，也不能阻止O的滲入，很不穩(wěn)定。預(yù)腐蝕處理使得試樣提前生成FeCr2O4氧化物，能夠有效的降低Pb-Bi共晶合金對(duì)CLAM鋼母材與焊接接頭的腐蝕速度與腐蝕深度。
　　美國(guó)牌號(hào)為316L奧氏體不銹鋼是18-8型奧氏體不銹鋼的衍生鋼種，與我國(guó)的O22Cr17Ni14Mo2相對(duì)應(yīng)，也是核工業(yè)領(lǐng)域常用的結(jié)

6、構(gòu)材料之一。本文樣品采用GTAW鎢級(jí)氬弧焊方法對(duì)5mm厚的316L奧氏體不銹鋼進(jìn)行平板對(duì)接焊后切割而成。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中腐蝕溫度為450℃，1、2、3號(hào)試樣對(duì)應(yīng)位置與液態(tài)鉛鉍共晶合金的相對(duì)流速分別為0.647m/s、0.899m/s、1.483m/s，腐蝕時(shí)間為500h，其中氧濃度呈飽和狀態(tài)。研究表明:450℃時(shí)氧飽和狀態(tài)下試樣在流動(dòng)的液態(tài)鉛鉍共晶合金中腐蝕500h后，液態(tài)金屬流動(dòng)的相對(duì)速度越大，磨損腐蝕越嚴(yán)重。腐蝕后316L母材與焊縫的腐蝕

7、表面形貌都有腐蝕坑和帶有方向性的溝壑出現(xiàn)，但是母材的耐磨損程度要優(yōu)于焊縫。此外，316L試樣的腐蝕表面均有雙氧化層出現(xiàn)，其中內(nèi)氧化層的主要組成為FeCr2O4，外氧化層的主要組成為Fe3O4。形成的Fe3O4和FeCr2O4都比較致密，都可以一定程度上阻礙腐蝕的進(jìn)一步進(jìn)行。但FeCr2O4氧化層更為致密，能夠有效降低母材和焊接接頭中Fe、Cr、Ni等合金元素向Pb-Bi共晶合金中的溶解，而Fe3O4卻無(wú)法阻礙氧元素的滲透，同時(shí)還易于與P