316L钢焊接接头在液态铅铋合金中的空泡腐蚀行为研究

摘要

铅铋共晶合金（LBE）具有熔点低，载热能力强，中子特性良好等优良性能，是加速器次临界驱动系统（ADS）的散裂靶和冷却剂的首要候选材料。但是铅铋合金会对暴露于液态金属环境的包层材料造成比较严重的腐蚀。如在核工程冷却循环回路中，核主泵叶轮与液态金属做高速相对运动时使叶轮上的局部区域形成压力突变区，气体析出后在叶轮表面形成气泡，大量的气泡溃灭对金属表面造成空泡腐蚀，导致部件使用寿命的降低和维修成本的提高。316L钢具有优良的力学性能和耐腐蚀性能，常用作ADS冷却循环回路的包层材料与主泵叶轮材料。在核工程中许多结构都使用熔焊的方法进行装配和制造，而焊缝组织一般存在成分偏析、组织粗大等缺陷，是整个冷却循环回路薄弱区域。因此研究316L钢焊接接头在液态铅铋合金中的空泡腐蚀可以为ADS系统及未来聚变示范堆能够更加经济、安全地应用提供理论基础。
　　本研究针对316L不锈钢，分别采用316L钢母材和钴基合金作为填充金属进行TIG焊，并进行焊后热处理。自主设计和研发液态金属超声空蚀设备，在550℃液态PbBi中进行316L母材、热处理前后316L焊缝、热处理前后钴基合金焊缝的空泡腐蚀试验。利用SEM与AFM表征不同时间空蚀后各组试样的表面形貌，并研究表面形貌随空蚀时间的变化规律和分析各组试样的空泡腐蚀行为；测量各组试样不同时间空蚀后表面粗糙度与腐蚀坑深度的变化以研究耐空蚀性差异，进而研究不同填充材料和热处理工艺参数对焊缝液态LBE中空泡腐蚀的影响；另外，通过对比静态腐蚀和空泡腐蚀100h后焊缝截面氧化层形貌以及元素的变化，探索熔焊接头表面在液态LBE中产生的溶解与氧化腐蚀和空泡腐蚀的联合作用机制。结果表明，316L焊缝与母材试样表面粗糙度和最大腐蚀坑深度随着空蚀试验时间的延长而不断增加，母材表现出的耐空蚀性大大优于焊缝，耐空蚀性差异主要与两者的金相组织有关。将316L钢焊缝进行固溶处理后其耐空蚀性得到改善，但依然没有316L母材耐空蚀性好。另外，通过对比316L钢焊缝静态腐蚀100h和空泡腐蚀100h后焊缝截面的元素变化发现，液态铅铋合金中的溶解与氧化腐蚀和空泡腐蚀会相互促进，它们的联合作用对焊缝造成更加严重的破坏。钴基合金耐腐蚀性很好，因此本文利用钴基合金作为填充材料对316L钢进行TIG对接焊，并将钴基合金焊缝进行不同温度的焊后热处理，之后进行液态铅铋中不同时间的空泡腐蚀试验。试验结果表明钴基合金焊缝的耐空蚀性优于316L钢焊缝，且不同温度焊后热处理后，钴基合金焊缝的耐空蚀性都得到改善，其中750℃热处理后钴基合金焊缝耐空蚀性最优，其次为700℃热处理，800℃热处理后钴基合金耐空蚀性最差。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 焊接在核电设备制造中的应用

1.3 316L不锈钢和钴基合金的性能

1.4 铅铋合金的腐蚀机理和研究现状

1.5 空蚀机理和研究现状

1.6 本论文的研究意义及研究内容

第二章 试验材料、设备及方法

2.1 试验材料

2.2 试验方法

2.3 主要试验仪器介绍

第三章 316L钢焊接接头在LBE中的空泡腐蚀和静态腐蚀

3.1 试验过程

3.2 316L钢焊接接头空泡腐蚀行为

3.3 焊后热处理工艺.对焊.接接头的耐空蚀性的影.响

3.4 静态腐蚀与空泡腐蚀比较

3.5 本章小结

第四章 钴基合金焊缝在液态LBE中的空泡腐蚀行为

4.1 试验过程

4.2焊接接头成分和组织分析

4.3 热处理工艺.对钴基焊.丝焊接接头的影响

4.4 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

在读硕士期间发表论文