304不锈钢材料在液态铅铋合金中的空蚀行为

  浙江至德钢业有限公司技术人员利用超声波空蚀试验装置研究了304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0.098um增加到0.460um，焊缝表面的粗糙度从0.117um增加到0.599um。

  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的散裂靶和冷却剂的首选材料，但是高速流的液态铅铋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（液态铅铋合金）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。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，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，304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。至德钢业将对304不锈钢母材及焊缝在液态铅铋合金中的空蚀行为及其机理进行研究。

1、试验材料与焊接工艺

  试验材料为5mm厚的304体不锈钢，材料化学成分见表。用打磨机去除304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不锈钢进行对接焊接，TIG焊接工艺参数见表。

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3000W，频率为19.2kHZ，振幅50um。试样上表面与变幅杆末端距离为1mm，试验介质为液态铅铋共晶合金，试验温度保持在550℃。试样尺寸为巾15mm×5mm，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10h，20h，30h和50h，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，将表面粘附的铅铋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电子显微镜腐蚀形貌观察，并用原子力显微镜对空蚀坑深度及表面粗糙度进行分析。

3、试验结果与分析

  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。如图所示，在空蚀10小时后，试样表面出现微小的空蚀坑，空蚀坑直径小于1um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，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]，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小时后，从图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。

  上图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小时后，母材和焊缝的最大空蚀深度为2um和2.6um，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。试样表面粗糙度与蚀坑腐蚀深度的变化基本保持一致，在空蚀50小时过程中，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，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0.098um增加到0.460um，焊缝表面的粗糙度从0.117um增加到0.599um，这表明同样的空蚀条件下，焊缝表面更易受到空蚀破坏。

  在550℃液态Pb-Bi合金中304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。空蚀过程中，母材表面的粗糙度从0.098um增加到0.460um，焊缝表面的粗糙度从0.117um增加到0.599um，同样的空蚀条件下焊缝表面更易受到空蚀破坏。空蚀50h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。