304奥氏体不锈钢在液态Pb-Bi合金中的空蚀行为

雷玉成 唐冬梅 李天庆 朱 强

(江苏大学材料科学与工程学院，江苏镇江212013)



304奥氏体不锈钢在液态Pb-Bi合金中的空蚀行为

雷玉成 唐冬梅 李天庆 朱 强

(江苏大学材料科学与工程学院，江苏镇江212013)

利用超声波空蚀试验装置研究了304奥氏体不锈钢母材及焊缝在550℃液态铅铋合金中的空蚀行为。通过扫描电子显微镜(SEM)观察不同空蚀时间后母材和焊缝的表面形貌，利用原子力显微镜(AFM)分析试样腐蚀后的表面粗糙度。结果表明，随着空蚀时间的增加，母材和焊缝表面的空蚀破坏越严重。焊缝由于存在成分偏析和组织不均匀等问题是空蚀过程中的薄弱区域。整个空蚀过程中，母材表面的粗糙度从0.098 μm增加到0.460 μm，焊缝表面的粗糙度从0.117 μm增加到0.599 μm。

304奥氏体不锈钢 焊缝 液态Pb-Bi合金 空蚀

0序 言

在先进核能系统中，铅铋合金共晶体因其低熔点、高沸点、良好导热性等性能作为加速器驱动次临界系统(ADS)的散裂靶和冷却剂的首选材料[1]，但是高速流的液态Pb-Bi合金会对主泵叶轮和局部管路等产生空泡腐蚀，简称空蚀。核主泵叶轮在与液态冷却剂(液态Pb-Bi合金)相对运动过程中，当流速很高以至静压强低于液体气化压强时，液体内形成无数小气泡，随着压力起伏，空泡不断生长至溃灭过程产生的高微射流对泵叶、泵体等部件造成损害，发生空蚀，这严重影响了轮机叶片等过流部件的性能和使用寿命[2]。在核工程装置中许多部件都采用熔化焊的方式进行制造和装配[3]，而焊缝组织属于铸态组织，成分偏析、组织不均匀等因素使其为耐空蚀的薄弱区域。在700℃以下的流动液态金属中，奥氏体不锈钢是铁基合金中最耐蚀的材料[4]，304奥氏体不锈钢以其优良的耐蚀性能和良好的机械加工性能在核电工业中得到广泛应用。文中将对304奥氏体不锈钢母材及焊缝在液态Pb-Bi合金中的空蚀行为及其机理进行研究。

1 试验方法

1.1试验材料与焊接工艺

试验材料为5 mm厚的304奥氏体不锈钢，材料化学成分(质量分数，%)见表1。用打磨机去除304奥氏体不锈钢表面氧化层后用酒精清洗并干燥。采用TIG焊接方法对304奥氏体不锈钢进行对接焊接，TIG焊接工艺参数见表2。

1.2 空泡腐蚀试验

利用超声波空蚀设备在真空电阻炉中进行空蚀试验，超声波设备的额定功率为3 000 W，频率为19.2kHZ，振幅50 μm。试样上表面与变幅杆末端距离为1 mm，试验介质为液态Pb-Bi共晶合金，试验温度保持在550℃。

C Mn Cr Ni Si 0. 06 1. 37 18.1 8. 9 0. 67 P Fe 0.04 余量表1 304奥氏体不锈钢成分表(质量分数，%)

表2 TIG焊焊接工艺参数表焊层 焊接电流I/A焊接速度v/(mm·s-1)氩气流量Q/(L·min-1) 坡口α(°) 钨极直径d/mm打底焊 90 1.2 8 60 2.4盖面焊 95 1.8

试样尺寸为准15 mm×5 mm，试样表面经金相砂纸逐级打磨后进行抛光并用酒精清洗干燥。空蚀时间分别为10 h，20 h，30 h和50 h，空蚀结束后将试样取出，采用双氧水∶乙酸∶酒精=1∶1∶1的混合液进行清洗，将表面粘附的Pb-Bi清除干净后用酒精进行超声波清洗并烘干。在空蚀试验后，对试样进行各个时间段的SEM腐蚀形貌观察，并用AFM对空蚀坑深度及表面粗糙度进行分析。

2 试验结果与分析

图1为母材和焊缝空蚀10 h，20 h，30 h和50 h后的表面形貌(母材:1a，1c，1e，1g)，焊缝：1b，1d，1f，1h)。试样在液态铅铋合金中的空蚀是一个既动态又局部的复杂过程，空泡溃灭时产生的微射流对试样表面产生分正应力和分切应力的作用[5]。如图1a，1b所示，在空蚀10 h后，试样表面出现微小的空蚀坑，空蚀坑直径小于1 μm且边缘比较光滑，这是由近表面的单个大尺寸空泡溃灭时分正应力作用产生的。母材和焊缝表面整体比较平整，局部有由于塑形变形形成的凹坑。焊缝中的缺陷使其表面蚀坑数量较多。随着空蚀时间的延长(图1c～1f)，试样表面平整度下降，母材和焊缝表面空蚀坑数量明显增多，尺寸也明显增大，试样表面被进一步破坏，表面不断出现新的空蚀坑，小的空蚀坑扩展与相邻的空蚀坑连接形成更大的腐蚀坑，由于空蚀坑促进了空泡的形核[6]，原空蚀坑附近更易受到空泡冲击，持续的微射流导致试样表面大块脱落，扩大了空蚀区域。焊缝表面腐蚀情况仍严重于母材，表面发生断裂，形成沟壑状的裂纹。在空蚀50 h后，从图1g，1h(箭头处放大)可以看出试样表面基本被破坏，空蚀坑分布十分密集，母材表面出现滑移带和裂纹，焊缝表面裂纹的尺寸更大并呈现波状褶皱，原因可能是由于蚀坑和裂纹处的空蚀集中致其力学性能下降，材料在空泡冲击作用下被推向凸起的边缘，从而产生褶皱[7]。

图2和图3分别是母材和焊缝空蚀后的最大腐蚀深度和表面粗糙度。由图2可知，试样表面空蚀坑深度随空化时间的延长而增加，空蚀50 h后，母材和焊缝的最大空蚀深度为2 μm和2.6 μm，焊缝的空蚀深度是母材的1.3倍，这表明母材比焊缝具有更高的抗空蚀性。试样表面粗糙度(图3)与蚀坑腐蚀深度的变化基本保持一致，在空蚀50 h过程中，母材和焊缝表面先出现微小的空蚀坑和局部变形，在空泡溃灭的持续冲击下空蚀坑数量增多[8]，尺寸增大，腐蚀区域由局部扩展到整个表面，母材表面的粗糙度从0.098 μm增加到0.460 μm，焊缝表面的粗糙度从0.117 μm增加到0.599 μm，这表明同样的空蚀条件下，焊缝表面更易受到空蚀破坏。

3结 论

(1)在550℃液态Pb-Bi合金中304奥氏体不锈钢母材和焊缝的腐蚀行为相似，在相同条件下，母材的耐空蚀性能优于焊缝。

(2)空蚀过程中，母材表面的粗糙度从0.098 μm增加到0. 460 μm，焊缝表面的粗糙度从0.117 μm增加到0. 599 μm，同样的空蚀条件下焊缝表面更易受到空蚀破坏。空蚀50 h后，焊缝的最大空蚀深度是母材的1. 3倍，母材的抗空蚀性优于焊缝。

[1]詹文龙，徐瑚珊.未来先进核裂变能——ADS嬗变系统[J].中国科学院院刊，2012，27(3)：375-381.

[2] 柳 伟，郑玉贵，娥治铭，等.金属材料的空蚀研究进展[J].中国腐蚀与防护，2001，21(4)：250-255.

[3]Poitevin Y，Aubert Ph，Diegele E，et al. Development of welding technologies for the manufacturing of european tritium breeder blanket modules[J]. Journal of Nuclear Materials，2011，417(1-3)：36-42．

[4]杨德钧.金属腐蚀学[M].北京：冶金工业出版社，1999.

[5]乔岩欣，王 硕，刘 彬，等.新型高氮钢的腐蚀和空蚀交互作用研究[J].金属学报，2016，52(2)：233-240.

[6] Li Zhen，Han Jiesheng，Lu Jinjun，et al.Vibratory cavita-tion erosion behavior of AISI 304 stainless steel in water at elevated temperature[J].Wear，2014，321：33-37.

[7]张翼飞，林 翠，杜 楠，等.TC4钛合金在溴化锂水溶液中的空蚀行为[J].腐蚀与防护，2015，36(6)：522-526.

[8]Chiu K Y，Cheng F T，Man H C.Evolution of surface roughness of some metallic materials in cavitation erosion[J]. Ultrasonics，2005，43(9)：713-716.

雷玉成，1962年出生，教授，博士生导师。主要从事焊接工艺及设备、焊接过程控制及模拟、先进材料连接技术等方面的研究与开发，已发表论文150余篇。

TG442

2016-10-20

国家自然科学基金资助项目(51375216)