304L不锈钢焊接接头表面状态对其在硼酸溶液中腐蚀行为的影响

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(1. 中广核工程有限公司,深圳 518124; 2. 苏州热工研究院 电站寿命管理技术中心,苏州 215004)

304L不锈钢属于超低碳奥氏体型不锈钢，因其具有优良的力学、焊接及耐腐蚀等性能而广泛应用在核电领域的管道、堆内构件、驱动机构、乏燃料贮存格架等关键构件上。在长期服役过程中，304L不锈钢的焊接位置往往是构件发生腐蚀失效的首要部位，所以近年来不锈钢焊缝的耐蚀性开始受到人们的关注[1-3]。曾荣昌等[4]指出奥氏体不锈钢焊接过程中的残余应力以及由第二相沉淀导致的晶体晶格畸变从而产生的内应力容易使焊缝处发生晶间腐蚀。GARCIA等[5-6]利用动电位扫描和激光扫描共聚焦显微镜原位观察等方法研究了304L焊接接头腐蚀情况，发现焊接后304L不锈钢基材、热影响区和焊缝区电化学性能差异很大，点蚀优先在热影响区产生，焊缝区域在腐蚀过程中充当腐蚀原电池的阴极。

焊接区域的腐蚀行为往往决定着整个焊接结构的服役寿命，焊接成型后常常需要对焊接接头表面进行不同的打磨处理以满足工件表面粗糙度的要求，不同打磨工艺及表面粗糙度对材料表面的耐腐蚀有不同程度的影响[7-8]。但打磨工艺对焊接接头耐腐蚀性能影响的研究鲜有报道，特别在核电应用领域，例如在硼酸溶液中，对焊接接头腐蚀行为还未见报道。

本工作以核电厂乏燃料贮存格架用304L不锈钢焊接接头为研究对象，以格架的实际服役环境为基础，综合采用浸泡腐蚀试验、电化学试验等方法对焊接接头的腐蚀性能进行评价，然后用光学显微镜和扫描电镜等分析手段，研究了304不锈钢焊接接头表面状态对其在硼酸溶液中腐蚀行为的影响，获得焊接接头在硼酸溶液中的腐蚀规律。

1 试验

1.1 试验材料

试验材料为304L奥氏体不锈钢，其化学成分如表1所示，其组织为典型的奥氏体晶粒，晶粒大小均匀，如图1所示。

表1 304L不锈钢的化学成分(质量分数)Tab. 1 Chemical composition of 304L stainless steel (mass) %

图1 304L不锈钢的显微组织Fig. 1 Microstructure of 304L stainless steel

1.2 试验方法

将两块2 mm厚度的304L不锈钢板采用钨极惰性气体保护焊进行焊接，焊接电流130～180 A，电压6～12 V，焊接速率2～6 mm/s。从焊接接头处截取试样，采用水砂纸逐级(至2 000 号)打磨试样表面，然后用去离子水冲洗(以下称2 000号砂纸打磨试样)；同时，另外选取2个接头试样，采用40号砂纸打磨、机械抛光的方法分别对其表面进行处理(以下分别称40号砂纸打磨和机械抛光试样)。利用蔡司Axiover 200MAT光学显微镜对焊接接头的纵截面进行微观组织观察。

浸泡腐蚀试验溶液为硼酸溶液，采用硼酸和超纯水配制，B3+的质量浓度为2.5 g/L，pH为4.8～5.5，试验温度为80 ℃。对未经打磨的原始状态焊接接头(以下称原始试样)和2 000号砂纸打磨试样分别进行48，96，144，192 h的浸泡腐蚀试验。试验结束后，取出试样，用去离子水洗净，冷风吹干。

用Model XS105DU型电子天平称量试样腐蚀前后的质量差，并计算腐蚀速率；用Cambridge-S360扫描电镜(SEM)观察试样表面和截面的腐蚀形貌。对40号砂纸打磨、机械抛光试样进行表面粗糙度和极化曲线测试。表面粗糙度测试在Keyence VK-100K型三维形貌仪上进行；极化曲线测试在Salartron 12608W型电化学工作站上并采用三电极体系进行。其中，工作电极为待测接头试样，辅助电极为Pt电极，参比电极为饱和甘汞电极(SCE)，测试溶液为上述硼酸溶液，扫描速率为20 mV/min。

2 结果与讨论

2.1 焊接接头的微观组织

304L不锈钢焊接接头的微观组织如图2所示。从图2可以看到：焊缝区组织为柱状枝晶，枝晶生长方向为由母材向焊缝中心生长，两侧焊缝在中心交织，靠近内壁侧热影响区均有不同程度的粗晶组织，最大粗晶晶粒度约为2级，热影响区宽度为490～585 μm。

(a) 焊接接头纵截面

(b) 接头焊缝区图2 304L不锈钢焊接接头纵截面及其焊缝区的微观组织Fig. 2 Microstructure of the longitudinal sections of 304L stainless steel welded joint (a) and its weld zone (b)

2.2 腐蚀速率和腐蚀形貌

图3为原始试样和2 000号砂纸打磨试样在硼酸溶液中的腐蚀速率。从图3中可以看到：在浸泡初期(0～96 h)原始试样的腐蚀速率快速上升，浸泡96 h时，达到最大值，之后随着浸泡时间的延长，腐蚀速率缓慢下降至稳定值；2 000号砂纸打磨试样的腐蚀速率比较稳定，与原始试样相比，其腐蚀速率大大降低。在浸泡后期，两种试样的腐蚀速率都达到了相对稳定的状态，但原始试样的腐蚀速率仍然高出了2 000号砂纸打磨试样一个数量级。以上结果表明，打磨可以很好地改善焊接接头的耐蚀性。

图3 原始试样和2 000号砂纸打磨试样在硼酸溶液中的腐蚀速率Fig. 3 Corrosion rates of original sample and No. 2 000 sandpaper sanded sample in boric acid solution

另外，从图3中还可以看出，试样的腐蚀速率在试验初期会出现负值，这表明材料发生了腐蚀增重现象。这是因为试验初期，腐蚀形成的产物附着在试样表面，造成其质量增加，腐蚀速率呈现负值，特别是原始试样，浸泡初期其质量增加明显。

原始试样在硼酸溶液中腐蚀192 h后的表面形貌和截面形貌如图4所示。从图4中可以看出，在试验条件下经192 h硼酸溶液腐蚀后，焊接接头表面发生了一定程度的均匀腐蚀，从其截面形貌上也可以看出腐蚀的痕迹。

图5是2000号砂纸打磨试样经192 h硼酸溶液腐蚀后的表面形貌和截面形貌。从图5中可以看到:2 000号砂纸打磨试样在硼酸溶液中腐蚀192 h后表面仍然呈现银白色金属光泽,截面处无明显腐蚀现象。

2.3 表面粗糙度对耐蚀性的影响

图6是40号砂纸打磨试样和机械抛光试样的表面形貌。结果表明：经40号砂纸打磨后，试样表面有明显的磨痕；而经机械抛光后，试样表面无明显起伏。

(a) 表面形貌

(b) 截面形貌图4 原始试样在硼酸溶液中腐蚀192 h后的表面形貌和截面形貌Fig. 4 Surface morphology (a) and cross-section morphology (b) of original sample corroded in boric acid solution for 192 h

(a) 表面形貌

(b) 截面形貌图5 2 000号砂纸打磨试样在硼酸溶液中腐蚀192 h后的表面形貌和截面形貌Fig. 5 Surface morphology (a) and cross-section morphology (b) of No. 2 000 sandpaper sanded sample corroded in boric acid solution for 192 h

(a) 40号砂纸打磨试样

(b) 机械抛光试样图6 40号砂纸打磨试样和机械抛光试样的表面形貌Fig. 6 Surface morphology of No.40 sandpaper sanded sample (a) and mechanically polished sample (b)

图7是40号砂纸打磨试样和机械抛光试样表面粗糙度的变化曲线。结果表明：经过40号砂纸打磨后，试样表面粗糙度为1.09 μm；而经机械抛光后，试样的表面粗糙度仅为0.10 μm，远小于40号砂纸打磨试样的。

图7 40号砂纸打磨试样和机械抛光试样表面粗糙度的变化曲线Fig. 7 Surface roughness curves of No. 40 sandpaper sanded sample and mechanically polished sample

图8是40号砂纸打磨试样和机械抛光试样的极化曲线。从图8中可以看到：机械抛光试样的自腐蚀电位和击破电位均高于40号砂纸打磨试样的，这说明机械抛光试样的耐蚀性优于40号砂纸打磨试样的。试验结果表明，表面粗糙度越小，焊接接头的耐蚀性越好，这与浸泡腐蚀试验结果是一致的。

图8 40号砂纸打磨试样和机械抛光试样的极化曲线Fig. 8 Polarization curves of No. 40 sandpaper sanded sample and mechanically polished sample

3 结论

(1) 核电厂乏燃料格架用304L不锈钢焊接接头组织均匀，最大晶粒度约为2级，焊接热影响区宽度为490～585 μm。

(2) 在硼酸溶液中浸泡的前96 h，未经打磨焊接接头的腐蚀速率快速增大，随后小幅降低并趋于稳定，经2 000号砂纸打磨焊接接头的腐蚀速率在整个试验过程中比较稳定，且远小于未经打磨焊接接头的。

(3) 经40号砂纸打磨后焊接接头的表面粗糙度远大于机械抛光后试样的，但前者的自腐蚀电位低于后者的，这说明表面粗糙度越小耐蚀性越好。

参考文献：

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[4] 曾荣昌,韩恩厚. 材料的腐蚀与防护[M]. 北京:化学工业出版社,2006.

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