含鉬鎳基焊縫金屬在硝酸溶液中的腐蝕行為

蒸汽發(fā)生器是壓水堆核電站中連接一回路與二回路的關(guān)鍵部件，其可靠服役對于核電站的安全運行有重要的意義。將蒸汽發(fā)生器內(nèi)的傳熱管與管板焊接，目前使用的焊接材料是鎳基耐蝕合金[1,2]。焊接接頭是整個結(jié)構(gòu)件的薄弱環(huán)節(jié)，因此對其質(zhì)量的要求極為嚴格。蒸汽發(fā)生器傳熱管焊接有較高的高溫失塑裂紋的敏感性，返修率比較高。高溫失塑裂紋，是一種奧氏體基材料在高溫下塑性缺失引起的沿晶開裂裂紋[3,4]。高溫失塑裂紋的尺寸較小，不易檢測，隱蔽性強，因此潛在的危害極大。核電站的非計劃停堆或暫停運行，40%是蒸汽發(fā)生器傳熱管失效破裂造成的[5],而腐蝕是傳熱管失效的主要原因[6]。傳熱管用材由最初的18-8型奧氏體不銹鋼發(fā)展為目前的鎳基高Cr合金，在此優(yōu)化過程中材料的耐蝕性不斷提高。目前使用的鎳基合金690（UNS N06690）具有綜合的力學性能和優(yōu)異的耐腐蝕性能[7]。因為焊縫金屬須經(jīng)歷特殊的焊接熱循環(huán)作用，其耐蝕性尤為重要。新型的鎳基焊材ERNiCrFe-13（FM 52MSS）是一種含Cr量較高的鎳基焊材。與目前核電行業(yè)中廣泛應用的焊材ERNiCrFe-7A（FM 52M）不同，在這種合金中添加了一定含量的微量元素Mo[8,9]。研究人員從抵抗高溫失塑裂紋的角度考察了Mo元素對鎳基焊縫材料力學性能的影響，發(fā)現(xiàn)這種焊材具有更高的抵抗高溫失塑裂紋開裂的能力[10,11]。但是關(guān)于FM 52MSS鎳基焊材的耐腐蝕性能，鮮有報道。添加Mo元素影響焊縫熔敷金屬中元素在焊接過程中的偏析以及析出相的析出行為，因此有必要研究Mo元素對該新型鎳基焊材耐腐蝕性能的影響。

關(guān)于Mo元素對耐蝕合金耐蝕性能的影響，國內(nèi)外學者已有相關(guān)的研究報道，但是結(jié)論并不統(tǒng)一。Bogdan等[12]認為，提高Mo含量能降低鈍化膜的破裂傾向、提高奧氏體不銹鋼抗點蝕和縫隙腐蝕等局部腐蝕的能力。李曉延等[13] 研究了哈氏合金C-276焊縫金屬的耐蝕性，發(fā)現(xiàn)在氧化性介質(zhì)中Mo元素使TCP相易被腐蝕，而晶界上TCP型的析出相增大了晶界和晶粒之間化學成分和結(jié)構(gòu)的不均勻性，增大了焊縫金屬晶間腐蝕敏感性。吳東江等[14] 研究了C-276/316L異種焊接接頭腐蝕性能，認為Mo元素的偏析促使焊縫組織在酸性和中性溶液中發(fā)生了枝晶間腐蝕。由此可見，微量元素Mo的添加對焊縫金屬的局部腐蝕行為有顯著的影響。本文研究不同Mo含量熔敷金屬在硝酸溶液中的局部腐蝕行為，分析Mo元素對焊縫金屬點狀腐蝕、晶間腐蝕和枝晶間腐蝕等局部腐蝕敏感性的影響。

1 實驗方法

在FM 52MSS焊絲成分的基礎(chǔ)上設(shè)計并制備了三種不同Mo含量的鎳基焊絲，分別標記為0Mo，2Mo和4Mo。焊絲直徑約為1.2 mm。

用半自動冷絲填充鎢極氬弧焊進行多層多道堆焊實驗。母材選用低合金鋼Q235，尺寸為500 mm×125 mm×25 mm。沿長邊加工出22.5°單V型坡口。為防止進行多層多道堆焊時母材的稀釋作用，影響對焊縫金屬耐腐蝕性能評估，用WE 152焊條在Q235鋼板坡口上堆焊出厚度約為7 mm的隔離層。

將兩塊堆焊有隔離層的Q235試板裝配成V型坡口，進行熔敷金屬的填充堆焊，如圖1所示。焊接參數(shù)為：電壓：10.5~11.0 V；電流：160~240 A；送絲速度：900~1100 mm/min；行走速度：85~110 mm/min；氣體保護：99.999%純氬氣，氣體流速：20 L/min；占空比：50%。為了降低焊縫金屬熱裂紋開裂傾向，將焊縫層間溫度控制在100℃以下。三種焊縫熔敷金屬成分如表1所示。根據(jù)RCC-M 2007標準，對焊縫金屬進行焊后去應力退火處理，熱處理工藝為：馬弗爐中620℃保溫29 h后出爐空冷。

圖1   焊接接頭的示意圖和取樣位置

使用電火花式線切割機從熔敷金屬橫截面中心取樣，試樣經(jīng)過150#，400#，800#，1200#和2000#砂紙磨削后用粒度為2.5 μm的金剛石拋光膏進行拋光。之后在10%的鉻酸水溶液中對試樣表面進行電解腐蝕，電解參數(shù)為：直流電壓5 V，腐蝕時間30~60 s。電解腐蝕后用10%草酸水溶液清洗試樣的表面，去除表面附著的電解腐蝕產(chǎn)物。用金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察不同Mo含量焊縫熔敷金屬的微觀組織形貌。用掃描電鏡中配備的X射線能譜（EDS）分析焊縫組織中析出相的成分。為了確定焊縫中析出相的種類，用7% CH3OH+93% HCL電解液對焊縫中析出相進行電解萃取，電解電流為0.36 A。析出相萃取后烘干，進行X射線衍射（XRD）對析出相進行物相分析。

依據(jù)標準ASTM A262-2015中硝酸實驗的相關(guān)規(guī)定進行腐蝕實驗。用電火花切割方法沿焊縫縱向方向取樣，每種焊縫金屬取兩塊試樣，尺寸為33 mm×11 mm×4 mm，如圖1所示。將試樣表面機械磨削拋光后，在117℃含有65%硝酸水溶液的錐形瓶中連續(xù)浸泡48 h。對不同成分不同狀態(tài)試樣均單獨進行浸泡實驗，以避免試樣之間發(fā)生干擾。為了保證實驗可靠進行，硝酸溶液體積與試樣表面積之比均保持在20 mL/cm2以上。用分析天平測量實驗前和實驗后試樣的質(zhì)量，精確到0.0001 g。采用失重法評估熔敷金屬試樣的腐蝕速率。將同一狀態(tài)同一成分兩塊試樣的腐蝕速率平均值作為焊縫熔敷金屬的腐蝕速率。用電子掃描顯微鏡觀察試樣的腐蝕形貌。

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