316Ti不銹鋼高溫高壓長期均勻腐蝕研究

中德密封

奧氏體不銹鋼在現代航空航天工業和核電行業中具有十分廣泛的應用。其中奧氏體不銹鋼316Ti正是壓水堆核電站主管道用鋼的關鍵材料。

316Ti奧氏體不銹鋼主要用于壓水堆穩壓波紋管、管嘴熱套管、上充泵泵體和核潛艇蒸氣發生器等。316Ti中鈦的加入能夠提高不銹鋼輻照后的延性和高溫機械性能。由于鈦與碳的結合能力很強，因此鈦首先與不銹鋼中的碳結合而減少了晶界貧鉻的傾向，這樣能大大提高不銹鋼抗晶間腐蝕的性能。

國內外對于不銹鋼316Ti的研究多集中在應力腐蝕開裂研究，高溫蠕變斷裂性能，常溫腐蝕性能，高溫水中的裂紋擴展，各元素成分對晶間腐蝕的影響，輻照后性能改變等。而對于其高溫水環境下的均勻腐蝕性能未見報道。

我國在建的和今后要建的AP1000核電站主管道材料必然大量采用316Ti不銹鋼，而316Ti在高溫水中的化學均勻腐蝕性能是評價其服役性能的根本。為了深入研究316Ti不銹鋼在壓水堆一次側環境中的均勻腐蝕性能，對316Ti不銹鋼進行了1680h的靜態釜高溫高壓水腐蝕考驗。對不同階段生成的氧化膜進行了微觀分析，并對均勻腐蝕速率進行了定量評估。

一、研究方法
1.1實驗材料
實驗用的316Ti不銹鋼為國內生產，其化學成分見表1。

試驗樣品名義尺寸為25mm*20mm*2mm，試樣中心帶孔用于懸掛樣品，直徑為2.5mm，試樣表面依次用400#、800#、1200#和2000#SIC砂紙打磨拋光，在無水乙醇中超聲清洗，干燥后用于試驗，用精度為0.1mg的電子天平稱重。為了減少試驗的偶然誤差，采用了較多的平行試樣，最初進入高壓釜的為16塊平行試樣。試驗分336h、816h、1152h、1680h等4個周期進行，每個周期后稱重，并取出一塊樣品用作分析。試驗介質為模擬壓水堆一回路水化學環境：1000ppm硼酸+2.2ppm的氫氧化鋰，用超純水配置溶液（電阻率為18.2ΜΩ·cm）。

1.2試驗裝置
試驗裝置為20L的靜態高壓釜，釜體材料為316Ti不銹鋼，每次加入硼鋰水的體積為13L。

1.3試驗運行參數
試驗溫度為300℃，試驗壓力為水蒸氣的飽和蒸氣壓8.7MPa，溶液的水溫pH值為6.5。第一次入釜為空氣飽和氧環境，以后每個周期換水后，用0.25MPa的氮氣除氧3次，溶解氧的含量小于,0.05ppm。

二、試驗結果及分析
2.1耐蝕性能分析
圖1為316Ti不銹鋼的腐蝕增重曲線，圖2為316Ti不銹鋼的腐蝕增重速率曲線。腐蝕增重值和腐蝕增重速率值都為負值，因此實際上是腐蝕失重。實驗結果表明，在300℃模擬壓水堆一回路硼鋰水條件下腐蝕1152h時，腐蝕失重量達到最大值2.7mg/dm2,1680h時,腐蝕失重量降為1.39mg/dm2，336h時， 失重速率最大為3.16*0.0001mg/（dm2·h），1680h時， 失重速率降為9.78*0.00001mg/（dm2·h）。證明剛開始時，氧化膜的保護性較差，生成的氧化膜大部分溶解了，導致失重較嚴重，隨著時間的延長，氧化膜越來越致密，保護性越來越好，因而腐蝕失重速率越來越低。這表明316Ti不銹鋼具有較好的耐長期均勻腐蝕性能。

2.2氧化膜形貌觀察
經過14d模擬壓水堆一回路條件高溫高壓硼鋰水腐蝕后，316Ti不銹鋼表面由光亮的金屬光澤變為青黑色，氧化膜的顏色均一。經過34d高溫腐蝕后，316Ti不銹鋼表面的顏色加深，變為褐色，48d與34d的顏色基本相同，仍舊是褐色，70d高溫腐蝕后的顏色為深褐色。這與失重曲線結果一致，剛開始時，失重較大，顏色變化也很明顯；后來由于保護性氧化膜的逐步生成，顏色也進一步加深為深褐色。

經過14d飽和氧模擬壓水堆一回路300℃高溫高壓硼鋰水的腐蝕，316Ti不銹鋼表面沒有形成致密氧化物層，對整個大面（圖3（c））， 進行EDX能譜分析（圖3（d）），分析結果如表2所示，氧原子與金屬原子的原子比為23:75，氧含量很低，證明氧化物層很薄，部分信號來自基體金屬。（Cr+Ni）與 Fe的原子比為0.553，高于基體的0.514，表明氧化膜中鐵原子的溶解程度更大。對較大的顆粒（圖3（ e））進行了能譜分析（圖3（f）），氧原子與金屬原子的比為50:49，Cr、Ni的含量很低，證明大顆粒主要是鐵的氧化物顆粒。大顆粒（Cr+Ni）與Fe的原子比為0.073，遠低于基體,0.465，同樣證明大顆粒為富鐵而貧鉻鎳的氧化物。氧化物大顆粒中Ti的含量也相對較高。此富鐵貧鉻鎳氧化物耐蝕性能很差，在高溫高壓一回路環境下首先溶解。


經過70d的300℃高溫高壓硼鋰水腐蝕（圖4），316Ti不銹鋼表面生成了兩層氧化物（圖4（a）），靠近最里層為細小致密氧化物層，細小氧化物層顆粒直徑為200～300nm，在細小致密氧化物層上面稀疏分布著直徑為0.5～1.6μm的大氧化物顆粒，形狀為立方體形和多邊形。對大顆粒（圖4（b））進行EDX能譜分析（圖4（c））， 氧原子與金屬原子的原子比為44:55，（Cr+Ni）與Fe的原子比為0.278，低于基體的0.465，證明大顆粒主要為富鐵而貧鉻鎳的氧化物顆粒，此時（Cr+Ni）與Fe的原子比高于14d腐蝕后氧化物顆粒的0.073，相應的耐蝕性也高于14d生成的大氧化物顆粒。對大顆粒之間的間（圖4（d））進行能譜分析（圖4（e））氧原子的百分比降為32%，金屬原子的比率為67%，（Cr+Ni）與Fe的原子比為0.544，高于基體的0.514，Cr、Ni的含量很高，細小氧化物顆粒主要為富鉻鎳而貧鐵的氧化物。細小的富鉻鎳貧鐵氧化物層十分致密，耐蝕性能優異，阻止了氧原子向金屬基體內部擴散和金屬離子向外遷移。316Ti不銹鋼由于生成了致密氧化物膜而長期耐高溫腐蝕性能較好。


三、結論
a.不銹鋼316Ti在模擬壓水堆一回路環境下的腐蝕失重先是快速增加，然后逐步降低。經過70d高溫高壓硼鋰水腐蝕，其均勻腐蝕失重速率降為9.78*0.00001mg/（dm2·h），316Ti不銹鋼具有較好的耐長期均勻腐蝕性能。
b.316Ti不銹鋼在模擬壓水堆一回路高溫高壓硼鋰水環境下剛開始只是氧化膜的溶解，沒有形成致密保護性氧化膜。經過70d高溫氧化后，316Ti不銹鋼表面形成了雙層氧化膜結構，靠近基體的為致密氧化膜，氧化物顆粒細小，直徑為200～300nm，為富鉻鎳貧鐵氧化物層；外層氧化物顆粒粗大，直徑為0.5～1.6μm之間，且氧化物的致密程度也比不上最里層的細小氧化物層，為富鐵貧鉻鎳氧化物層，Ti的含量也高于基體。
c.316Ti不銹鋼長期均勻腐蝕性能的提高是由于形成了細小致密的富鉻鎳貧鐵氧化物膜。

helloshigy

學習下  就是圖片好大啊  一個200K多啊

liumingxiongAA

bucuo,zhengzaizhaone

中德密封

helloshigy 發表于 2016-5-6 16:52
學習下  就是圖片好大啊  一個200K多啊

好吧，下次盡量用小圖！

bony1983

還不錯，謝謝分享