18Cr-8Ni型奥氏体不锈钢金相检测化学抛光液的研制

张鸿武，杨东旭，岳增武，金树生，马永泉，高明德

（1.山东电力工业锅炉压力容器检验中心有限公司，山东 济南 250003；2.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003；3.华能济南黄台发电有限公司，山东 济南 250100）

近年来，随着电站锅炉向高参数、大容量、高效率方向快速发展，其受热部件材料的使用性能和加工性能的要求逐步提高。18Cr-8Ni型奥氏体耐热不锈钢因其良好的组织稳定性、较高的蠕变强度、优良的抗氧化及抗高温腐蚀性能被大量应用在超（超）临界电站锅炉的受热面管上[1]。受热面管往往在极为恶劣的工况下运行，随着运行时间的积累，难免会出现组织老化、腐蚀、晶间裂纹等缺陷。这些缺陷的产生严重影响了机组的安全运行[2]，因此对奥氏体不锈钢的金相检测是电站锅炉金属监督项目中的重要部分。电站锅炉实际金属监督过程需要在不损伤部件的前提下进行现场金相检测，由于现场工况的复杂性和环境条件的局限性，现场金相检测难度远大于实验室检测。

在现场金相检测过程中，主要有磨光、抛光、侵蚀和观察等步骤[3]。抛光质量的好坏将对金相组织的成像质量产生直接影响，如果抛光质量欠佳，奥氏体组织的晶界、析出相M23C6、金属间化合物σ相、沿（穿）晶裂纹等组织形貌将不容易发现，造成缺陷漏检，形成安全隐患[4-6]。

由于奥氏体不锈钢中Cr、Ni等合金元素的含量较高（质量分数总和接近30%），传统的金相化学抛光液无法对其进行有效抛光。所以现场最常用的抛光方式为机械抛光，该方法利用便携手持式电动抛光机，配合金刚石粉抛光剂进行，但由于受工件形状及环境位置的限制，在抛光的过程较难控制，所需抛光时间较长，划痕不易去除，且容易出现局部区域过热的现象，抛光效果并不理想。

为提高电站锅炉金属监督检验的质量，简化金相检测的操作流程，本文通过对18Cr-8Ni型奥氏体不锈钢金相检测效果的对比分析，研制出一种高质高效且较为环保的奥氏体不锈钢化学抛光液。

1 配置工艺

经多次反复试验，筛选确定化学抛光液的配方见表1。

以100 mL化学抛光液的配制为例，化学抛光液的配制步骤如下：

步骤1 用量筒分别量取无水乙醇（质量分数≥99.7%）10 mL和过氧化氢（质量分数30%）50 mL，倒入烧杯内；

步骤2 用量筒分别量取分析纯盐酸（质量分数36%~38%）13~17 mL、分析纯磷酸（质量分数≥85%）13~17 mL、分析纯氢氟酸（质量分数≥40%）8~12 mL，倒入烧杯内，倒入后搅拌均匀；

步骤3 用天平称取分析纯硝酸钠（质量分数≥99%）5~7 g，倒入烧杯内，搅拌均匀至完全溶解；

步骤4 用天平分别称取硫脲0.5 g和盐酸抑雾剂0.1 g，倒入烧杯内，搅拌均匀。

2 配置工艺原理

金相检测中的化学抛光是依靠化学试剂对样品表面凹凸不平区域进行选择性溶解，消除研磨痕迹、侵蚀整平的一种方法[7]。

2.1 分析纯盐酸

盐酸是一种不具有氧化性的无机强酸，强腐蚀剂，主要起溶解金属的作用。但是单独使用盐酸，对不锈钢表面起不到溶解作用，只有与硝酸和其他助剂相结合，才有一定的溶解能力，可用于除去不锈钢表面上的氧化层[8-10]。当分析纯盐酸（质量分数36%~38%）与抛光液的体积分数约为150 mL/L时，抛光液溶解速度适中，既去除氧化层，又不会因腐蚀过程加剧而产生过腐蚀，无明显酸雾挥发，溶解效果理想。

2.2 分析纯磷酸

磷酸是一种中等强度的三元无机酸，可以增加抛光液的黏度，降低抛光液的酸度，有效地抑制不锈钢表面的过度溶解。在化学抛光过程中起到溶解作用，同时可以在表面生成一层不溶性的磷酸盐转化膜，这种钝化膜的形成和溶解,可使金相测点表面达到平整,同时还具有抛光的功效[8-10]。当分析纯磷酸（质量分数≥85%）与抛光液的体积分数约为150 mL/L时，既起溶解作用，又可在不锈钢表面上形成不溶性的磷酸盐转化膜，防止过腐蚀的发生，从而有效地抑制金属的过溶解。

2.3 硝酸钠

硝酸钠是一种强氧化剂，配合盐酸起到溶解作用，有效去除氧化层，可在金相测点形成钝化膜，在抛光液中代替易分解的硝酸，避免抛光过程中产生黄烟。硝酸钠在抛光液中配置和添加较方便[8-10]，当每1 L溶液中加入硝酸钠（质量分数≥99%）约60 g时，既不会对不锈钢表面产生钝化作用，降低溶解速度，也不会使表面有蚀坑和麻点。

2.4 分析纯氢氟酸

氢氟酸是一种还原性酸，是强腐蚀剂。其中F-的活性高，离子半径小，容易向不锈钢表面渗透，使不锈钢与氢氟酸发生反应，溶解金属[11-13]。当分析纯氢氟酸（质量分数≥40%）与抛光液的体积分数约为100 mL/L时，溶解效果好，溶解速度适中，无局部过腐蚀现象。

2.5 其他添加剂

过氧化氢可消除腐蚀残渣和溶解碳及碳化物，提高不锈钢表面的光洁度，也可消除NOx的突沸。乙醇可以使过氧化氢更加稳定，提高不锈钢表面的光洁度。硫脲作为缓蚀剂，可以减缓抛光液对金相测点表面的腐蚀速率，抑制抛光液对金相测点表面的腐蚀，防止过腐蚀的产生。盐酸抑雾剂可以抑制盐酸酸雾的挥发降低污染，降低对试验人员身体的伤害，清除各种油污，减缓或抑制盐酸对金属的腐蚀，与盐酸具有良好的协同效果，适用于各种温度下的盐酸使用[14-15]。

3 抛光工艺及检测效果

电站锅炉受热面管常用18Cr-8Ni型奥氏体耐热不锈钢，常见牌号有TP304、TP304H、TP347、TP347H[16]及TP347HFG等新一代奥氏体耐热钢[17]。现选取4个不同的试样（表2），编号依次为1号—4号，分别进行金相检测。为了同时观察实验室和现场的检测效果，1号、2号试样为割管取样，检测地点为金相检测实验室；3号、4号试样为现场金相检测，检测地点为电厂锅炉炉膛内。

表2 试样概况Tab.2 Overview of the samples

3.1 实验室检测结果

将1号、2号试样（横截面）打磨至600号金相砂纸，采用本文化学抛光液进行化学抛光，抛光方法参照GB/T13298—2015和DL/T884—2019，抛光擦拭时间控制在15~30 s[3,7]。化学抛光完成后，使用Axio Vert A1金相显微镜观察抛光效果。然后使用王水溶液进行浸蚀，再次观察金相组织。使用机械转盘抛光机配合金刚石粉抛光剂，对600号金相砂纸打磨后的1号、2号试样进行机械抛光，抛光时间5~8 min。经浸蚀后，再次观察金相组织（图1—图2）。

根据《18Cr-8Ni系列奥氏体不锈钢锅炉管显微组织老化评级标准》（DL/T1422—2015）对3种金相组织进行老化评级[18]。由图1可见，试样经化学抛光后，只有极少量的划痕未去除，其金相组织为奥氏体、孪晶和滑移线，晶内和晶界均存在第二相析出，晶界上的第二相明显粗化，局部链状分布，可见裂纹起源于内壁附近，并沿晶界分布，奥氏体老化评级为3—4级，机械抛光的效果与化学抛光的效果基本一致，均可清晰观察到呈链状的晶界、粗化的第二析出相、沿晶裂纹等组织形貌。

图1 1号试样抛光效果及金相组织Fig.1 The polishing effect and metallographic structure of No.1 sample

图2 2号试样抛光效果及金相组织Fig.2 The polishing effect and metallographic structure of No.2 sample

由图2可见，试样经化学抛光后，只有极少量的划痕未去除，其金相组织为奥氏体和孪晶，晶内和晶界均存在第二相析出，晶界上的少量第二相颗粒粗化，老化评级为3级，机械抛光的效果与化学抛光的抛光效果基本一致，均可清晰观察到第二相和孪晶等组织形貌。

3.2 现场检测结果

分别在2个不同电厂锅炉的炉膛内对3号、4号试样（外壁）进行现场金相检测。首先使用角磨机将外壁氧化皮去除，使用手持式电动磨光机将金相磨面打磨至600号金相砂纸，然后采用本文化学抛光液进行化学抛光，抛光方法与实验室检测相同。化学抛光完成后，使用AC纸配合丙酮对未经侵蚀的金相磨面进行表面覆膜。然后使用王水溶液进行浸蚀，浸蚀后再次表面覆膜。表面覆膜完成后，将测点表面重新打磨至600号金相砂纸，采用手持式电动抛光机配合金刚石粉抛光剂对金相磨面进行机械抛光，抛光时间5~8 min，然后浸蚀并表面覆膜。将覆膜片带回实验室，使用Axio Vert A1金相显微镜观察金相组织（图3—图4）。同样，对3种金相组织进行老化评级[18]。由图3可见，试样经化学抛光后，其金相组织为奥氏体、孪晶，晶内存在较少的第二相，晶界附近有较多的第二相偏聚，晶界上存在较多尺寸稍大的第二相，老化评级为3级，机械抛光的效果与化学抛光的效果基本一致，均可清晰观察到晶内及晶界上粗化的第二析出相等组织形貌。

图3 3号试样抛光效果及金相组织Fig.3 The polishing effect and metallographic structure of No.3 sample

图4 4号试样抛光效果及金相组织Fig.4 The polishing effect and metallographic structure of No.4 sample

由图4可见，试样经化学抛光后，其金相组织为奥氏体，晶内存在较少的第二相，晶界附近有较多的第二相偏聚，晶界上存在较多尺寸稍大的第二相，老化评级为2—3级，化学抛光的效果与机械抛光的效果基本一致，均可清晰观察到晶界、晶内碳化物等组织形貌。

观察比对以上4组试样的检测结果，可以看出，该化学抛光液可基本消除研磨后残留的痕迹，只有极少数较深的划痕会有残留，但可清晰地观察到奥氏体组织的晶界、碳化物、第二析出相、沿晶裂纹等组织形貌，且相对于传统的机械抛光，该方法节省了大量的检测时间，在保证检测效果的同时，大大提高了检测效率，试验室取样检测和生产现场检测均有良好的效果。

4 结 语

本文提出的化学抛光液配置工艺简单，使用硝酸钠代替硝酸，并加入盐酸抑雾剂，抑制了有害气体的挥发，降低了对试验人员人体的危害，携带和存储方便。在金相制备过程中，现场适应度高，操作简单，不需要借助机械设备，抛光效率高且速度可控。该化学抛光液抛光效果好，部件表面不会产生变形层，得到的金相组织真实、清晰，适用于实验室及生产现场金相检测。