Q235钢和316L钢表面微弧氧化陶瓷层的制备及其在液态Pb-Bi中腐蚀行为研究

摘要

在未来核反应堆循环回路中，高温液态Pb-Bi会对此类系统的泵体、泵叶等部件造成腐蚀，减少这些部件的使用寿命。本文希望通过表面强化技术在钢铁表面获得具有耐液态Pb-Bi腐蚀能力的防护层。微弧氧化陶瓷层致密性高，并具有优异的耐磨、耐腐蚀性和耐热冲击性能。因此，以钢铁材料为基体，在其表面制备一层结合强度高、性能优异的微弧氧化陶瓷层，研究陶瓷层在液态Pb-Bi合金中的腐蚀行为，对于推广微弧氧化技术的应用，及提高核工程结构钢的使用寿命具有重要的理论意义和实际应用价值。 本文首先采用热浸镀铝的方法在316L不锈钢表面制备了一层纯铝层，并采用熔钎焊的方法在 Q235钢表面制备了一层 6061 铝合金层，研究了熔钎焊焊接工艺参数和热输入对接头微观结构、结合强度的影响。然后以铝层作为中间层，用微弧氧化方法在316L不锈钢和Q235钢表面制备了一层陶瓷层，并研究微弧氧化工艺参数对陶瓷层微观形貌和性能的影响。最后将制备的 Q235 钢和 316L不锈钢的微弧氧化试样在液态Pb-Bi中进行静态和动态腐蚀，分析陶瓷层在液态Pb-Bi中的腐蚀行为。 试验结果表明，采用热浸镀铝工艺，在热浸镀温度750℃，热浸镀时间15 min的工艺参数下，在316L不锈钢表面获得了纯铝层较厚而合金层较薄的热浸镀铝层。在熔钎焊接试验中，随着焊接热输入增加，界面区金属间化合物层厚度增加，靠近融化区一侧由细小锯齿状向针状变化。金属间化合物层在4.9 μm-7.3 μm之间时，焊接接头具有较好的力学性能。最终，在焊接电流 85 A，焊接速度 140 mm/min，送丝速度0.32 m/min的工艺参数下，在Q235钢表面制备了一层结合强度较高的铝基中间层。 在微弧氧化试验中，陶瓷层由γ-Al2O3和少量的α-Al2O3组成。针对Q235钢熔钎焊铝层试样，通过调节微弧氧化工艺参数，研究发现在氧化时间30 min、电流密度10 A/dm2、脉冲频率200 Hz、占空比12%的条件下，获得的陶瓷层厚度适宜、粗糙度低、致密性好。在同样的工艺参数下，316L 不锈钢热浸镀铝层表面制备的陶瓷层比Q235钢熔钎焊铝层表面制备的陶瓷层致密性差。 在350℃的液态Pb-Bi中经过300 h的静态腐蚀，Q235钢母材试样有明显的腐蚀现象，而Q235钢熔钎焊/微弧氧化试样则有较好的耐腐蚀性能。在350℃的液态Pb-Bi中经过相对流速为1.7 m/s的300 h动态腐蚀，采用熔钎焊/MAO方法制备的陶瓷层对基体材料具有一定的保护作用，而采用热浸镀铝/MAO方法制备的陶瓷层则基本剥落，Pb-Bi发生渗透，表明熔钎焊/MAO方法制备的陶瓷层比热浸镀铝/MAO方法制备的陶瓷层对基体的保护作用好。结合静态和动态腐蚀试验的结果，在液态Pb-Bi中，陶瓷层对基体材料具有一定的保护作用，陶瓷层的致密性和厚度会影响其保护作用。

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