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钒元素对316L/T91焊接接头力学性能及在液态LBE中腐蚀行为的影响

彭刚  
【摘要】:316L钢和T91钢是加速器驱动次临界系统(ADS)的理想结构材料,铅铋共晶合金(LBE)则是ADS系统中理想的冷却剂和散裂靶材料,316L/T91异种钢焊接接头因具有良好的高温性能和耐蚀性能而在第四代核电开发中有着广泛应用。异种钢接头在服役过程中要面对高温、高压、液态LBE腐蚀等环境,因此实现316L奥氏体钢和T91马氏体钢的优质焊接,探究提高其焊缝耐LBE腐蚀的有效方法,为316L和T91钢在未来核电开发领域的应用提供参考,具有重要的理论意义和实际应用价值。为了提高异种钢接头性能,本文采用自制的四种钒元素含量不同(0 wt.%、0.2wt.%、0.4 wt.%和0.6 wt.%)的焊丝作为填充材料,使用钨极氩弧焊(TIG)的方式对316L和T91进行焊接并对其焊缝进行400℃、饱和氧浓度的液态LBE腐蚀试验,通过分析和对比其焊接接头的微观组织与力学性能差异以及腐蚀后表面形貌与截面氧化层的生成状况,探究钒元素对316L/T91焊缝组织、性能以及耐LBE腐蚀能力的影响。对四组焊接接头试样进行金相观察和相关力学性能测试后发现,四种焊丝所得的焊缝组织都是由奥氏体加δ铁素体组成,随着焊丝中钒元素含量的增加,焊接接头的焊缝组织变得更加细小均匀,添加钒含量为0.6 wt.%时,焊缝组织最为均匀、细密;为探究钒元素对焊缝抗拉强度的影响,采用预制缺口的方法控制断裂发生在焊缝处,随着钒的添加,焊缝抗拉强度提升;夏比冲击试验中,随着钒含量的增加,冲击吸收功数值增大且断口处韧窝尺寸增加,说明钒对冲击韧性有改善作用;未添加钒时,T91侧熔合线附近硬度明显高于其他区域,且存在较大幅度波动,添加了钒元素后,该区域的硬度降低,添加0.6%钒时,硬度曲线凸起消失,且焊缝区域硬度分布趋于水平。将四组焊缝试样分别在400℃、静态LBE和400℃、2.74 m/s高速流LBE中进行200 h、500 h和1000 h腐蚀试验。在两种腐蚀试验条件下,试样表面均形成了腐蚀坑并生成椭球状化合物,在1000 h后,生成的化合物相互连结在一起将试样基体覆盖,高速流腐蚀条件下,试样表面存在“沟壑”状冲刷痕迹,并且部分氧化层脱落;试样截面EDS分析结果表明,试样基体表面与LBE界面处生成了双层结构的氧化层,外层结构疏松,主要元素为Fe和O,并有少量Pb和Bi元素的渗透,内层结构致密,对基体有一定的保护作用,主要组成元素为Cr、Ni和O。静态腐蚀的腐蚀形式主要为溶解腐蚀和氧化腐蚀,基体中的Fe、Cr元素向液态LBE中溶解,液态合金中的O、Pb和Bi元素向材料基体中扩散;高速流腐蚀条件下,快速流动的LBE会对试样表面造成摩擦磨损,引起氧化层的脱落,加剧试样的腐蚀。从氧化层的厚度对比来看,当焊缝中钒元素含量增加时,氧化层的厚度随之降低,试样的腐蚀程度减弱,钒含量为0.6 wt.%时,相同腐蚀条件下焊缝试样腐蚀程度最弱,其耐LBE腐蚀性能最好。


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