提高316LN奥氏体不锈钢耐辐照和耐腐蚀性能的表面处理方法

摘要

一种提高316LN奥氏体不锈钢耐辐照与耐腐蚀性能的表面处理方法，属于核电关键结构材料领域，其特征在于利用喷丸技术和钝化处理工艺对316LN奥氏体不锈钢表面进行改性，在有效控制喷丸过程中出现的马氏体相(即控制形变诱导相变过程)、增加孪晶界，细化晶粒的同时对不锈钢进行钝化处理，使得不锈钢表面的钝化膜更加均匀、紧致、结合力更强，达到同时提高316LN奥氏体不锈钢耐辐照和耐腐蚀性能的目的。本发明处理设备简单，价格低廉，适用范围广。

说明书

技术领域

本发明属于核电关键结构材料领域，涉及一种提高316LN奥氏体不锈钢耐辐照和耐腐蚀性能的表面处理方法。

背景技术

核能被公认为是现实的、可大规模替代化石能源、既清洁又经济的能源。未来的核电站关键结构材料需要承受更高的温度和压力以及更强的辐照和化学腐蚀。316LN是一种超低碳控氮奥氏体不锈钢。由于N元素的加入，316LN不锈钢在保留较好塑性和韧性的同时显著提高了强度，被用作AP1000第三代压水堆核电站一回路主管道材料、第四代燃料快堆的主要结构材料以及托克马克装置的第一壁候选材料。已有研究结果表明，当中子辐照剂量超过55dpa(每个原子的平均离位次数)时，316LN奥氏体不锈钢会出现辐照肿胀现象，辐照肿胀发生的敏感温度约为550℃。316LN奥氏体不锈钢的辐照肿胀会严重恶化材料的力学性能，导致韧性、塑性、延展性下降。更有甚者，辐照还会促进应力腐蚀开裂，国际上已报道多起辐照促进应力腐蚀破裂的恶性事例。因此，需要寻找一种能提高316LN奥氏体不锈钢耐辐照和耐腐蚀性能的方法。

大多数材料的失稳始于表面，只要在材料的表面制备出一定厚度的纳米结构层，即实现表面纳米化，就能够通过表面组织和性能的优化提高材料的综合性能。喷丸处理可极大的细化材料表层的晶粒，形成的大量孪晶界可以作为辐照缺陷湮灭的“阱”。辐照产生的间隙原子、空位、位错环、氦气泡等会趋向于向晶界处迁移湮灭，避免聚集形成空洞而导致辐照肿胀。另一方面，不锈钢的耐蚀性与材料表面在腐蚀介质中生成的双层结构钝化膜有关。喷丸处理会在不锈钢表面引入大量的纳米孔洞，通过钝化工艺处理，这些孔洞产生的毛细作用力有利于不锈钢表面形成均匀、稳定、结合力更强的钝化膜结构，达到提高316LN奥氏体不锈钢耐辐照和耐腐蚀性能的目的。

发明内容

一种提高316LN奥氏体不锈钢耐辐照和耐腐蚀性能的表面处理方法，其特征在于利用喷丸技术对316LN奥氏体不锈钢表面进行改性，在有效控制喷丸过程中出现的马氏体相(即控制形变诱导相变过程)、增加孪晶界，细化晶粒的同时对不锈钢进行钝化处理，使得不锈钢表面的钝化膜更加均匀、紧致、结合力更强，达到同时提高316LN奥氏体不锈钢耐辐照和耐腐蚀性能的目的。

一种提高316LN奥氏体不锈钢耐辐照和耐腐蚀性能的表面处理方法，具体步骤如下：

1)固溶处理：切割60mm×60mm×5mm的板材，在1050℃下保温90分钟，水淬；

2)磨光处理：将切割的板材进行表面磨光处理，粗糙度小于0.1μm；

3)喷丸处理：选取0.2～1.0mm直径的GCr15钢球，将板材放入喷丸设备中进行表面喷丸处理，喷丸时间为5分钟～30分钟，喷丸速度为40米/秒～90米/秒。

4)钝化处理：选取体积分数为30％～60％的硝酸水溶液进行钝化处理，钝化温度为30℃，钝化时间为3～8小时。

一种表征316LN奥氏体不锈钢耐辐照性能的方法，其表征步骤如下

1)电解抛光：将喷丸处理前后的试样进行电解抛光，抛光液为体积分数20％的高氯酸酒精溶液，抛光电压为30V，抛光时间为60秒；

2)钝化处理：将喷丸处理前后的试样进行钝化处理，钝化液为体积分数30％～60％的硝酸水溶液，钝化温度为30℃，钝化时间为3～8小时。

3)离子辐照：辐照在320keV离子加速平台上进行，试样尺寸为5mm×5mm×3mm，常温下进行He²⁺离子辐照处理，离子加速电压为200keV，注量为1.4×10²⁰～2.3×10²¹m^-2。

4)计算辐照肿胀率：利用透射电子显微镜观察喷丸处理前后试样中氦泡的尺寸和密度，计算试样的辐照肿胀率，计算公式为：式中，A为视场的面积，δ为试样的厚度，d_i是氦泡的直径，N为氦泡的数量。

一种测试316LN奥氏体不锈钢耐腐蚀性能的方法，具体方法为：

将喷丸处理前后的316LN奥氏体不锈钢试样清洗打磨，制备成10mm×10mm×5mm的电化学试样，进行钝化处理。钝化液选取体积分数为30％～60％的硝酸水溶液，钝化温度为30℃，钝化时间为3～8小时。钝化处理后测试试样的极化曲线。将试样浸入60℃水浴保温的、质量分数为3.5％氯化钠溶液中30分钟，获得稳定的开路电位，然后测试极化曲线。电化学工作站扫描范围为-0.4V～0.8V，扫描速率为20mV/分钟。

本发明的有益效果在于：处理设备简单，价格低廉，适用范围广。可针对核电关键结构材料的服役环境，设计不同的喷丸工艺，通过控制晶粒尺寸和相组成，达到同时提高316LN奥氏体不锈钢耐辐照和耐腐蚀性能的目的。

附图说明

图1表示316LN奥氏体不锈钢喷丸处理前后、经200keV He²⁺离子辐照后的透射电子显微镜组织图(实施例1)。软件分析结果表明，316LN奥氏体不锈钢喷丸处理后氦泡平均尺寸从2.2nm减小至1.69nm。

图2是喷丸处理前后316LN奥氏体不锈钢试样的极化曲线图(实施例4)。可见，喷丸处理后，316LN奥氏体不锈钢试样的钝化区明显变宽，自腐蚀电流密度从喷丸处理前的1.58×10^-7A/cm²降低到3.98×10^-8A/cm²，点蚀击破电位从315mV提高到620mV，耐腐蚀性能得到显著的提高。

具体实施方式

实施例1

将316LN奥氏体不锈钢切割成60mm×60mm×5mm的板材进行固溶处理，温度为1050℃，保温90分钟后淬火，磨光处理至表面粗糙度低于0.1μm。选择直径0.4mm的GCr15钢球，将板材放入喷丸设备中进行表面喷丸处理，喷丸时间为5分钟，喷丸速度为70米/秒，得到平均晶粒尺寸为45nm、马氏体相体积分数含量约为8％的试样。对试样进行电解抛光，抛光液为体积分数20％的高氯酸酒精溶液，抛光电压为30V，抛光时间为60秒。抛光后的试样进行钝化处理，钝化液为体积分数60％的硝酸水溶液，钝化温度为30℃，钝化时间6小时。将喷丸处理前后钝化的316LN奥氏体不锈钢进行辐照实验，试样尺寸为5mm×5mm×3mm，辐照实验在320keV离子加速平台上进行，选择He²⁺离子室温注入，离子能量为200keV，注量为2.3×10²¹m^-2。使用透射电子显微镜观察喷丸处理前后试样中氦泡的尺寸和密度，计算辐照肿胀率。结果显示，喷丸处理前后试样中的氦泡平均尺寸分别为2.2nm和1.69nm。

实施例2

将316LN奥氏体不锈钢切割成60mm×60mm×5mm的板材进行固溶处理，温度为1050℃，保温90分钟后淬火，磨光处理至表面粗糙度低于0.1μm。选择直径0.2mm的GCr15钢球，将板材放入喷丸设备中进行表面喷丸处理，喷丸时间为15分钟，喷丸速度为40米/秒，得到平均晶粒尺寸为40nm、马氏体相体积分数含量约为12％的试样。对试样进行电解抛光，抛光液为体积分数20％的高氯酸酒精溶液，抛光电压为30V，抛光时间为60秒。抛光后的试样进行钝化处理，钝化液为体积分数30％的硝酸水溶液，钝化温度为30℃，钝化时间8小时。将喷丸处理前后钝化的316LN奥氏体不锈钢进行辐照实验，试样尺寸为5mm×5mm×3mm，辐照实验在320keV离子加速平台上进行，选择He²⁺离子室温注入，离子能量为200keV，注量为1.4×10²⁰m^-2。使用透射电子显微镜观察喷丸处理前后试样中氦泡的尺寸和密度，计算辐照肿胀率。结果显示，喷丸处理前后试样中的氦泡平均尺寸分别为1.21nm和1.01nm。

实施例3

将316LN奥氏体不锈钢切割成60mm×60mm×5mm的板材进行固溶处理，温度为1050℃，保温90分钟后淬火，磨光处理至表面粗糙度低于0.1μm。选择直径1.0mm的GCr15钢球，将板材放入喷丸设备中进行表面喷丸处理，喷丸时间为30分钟，喷丸速度为90米/秒，得到平均晶粒尺寸为18nm、马氏体相体积分数含量约为75％的试样。对试样进行电解抛光，抛光液为体积分数20％的高氯酸酒精溶液，抛光电压为30V，抛光时间为60秒。抛光后的试样进行钝化处理，钝化液为体积分数45％的硝酸水溶液，钝化温度为30℃，钝化时间3小时。将喷丸处理前后钝化的316LN奥氏体不锈钢进行辐照实验，试样尺寸为5mm×5mm×3mm，辐照实验在320keV离子加速平台上进行，选择He²⁺离子室温注入，离子能量为200keV，注量为2.3×10²¹m^-2。使用透射电子显微镜观察喷丸处理前后试样中氦泡的尺寸和密度，计算辐照肿胀率。结果显示，喷丸处理前后试样中的氦泡平均尺寸分别为2.2nm和1.42nm。

实施例4

将316LN奥氏体不锈钢切割成60mm×60mm×5mm的板材进行固溶处理，温度为1050℃，保温90分钟后淬火，磨光处理至表面粗糙度低于0.1μm。选择直径0.4mm的GCr15钢球，将板材放入喷丸设备中进行表面喷丸处理，喷丸时间为5分钟，喷丸速度为70米/秒，得到平均晶粒尺寸为45nm、马氏体相体积分数含量约为8％的试样。将喷丸处理前后的316LN奥氏体不锈钢试样清洗打磨，制备成10mm×10mm×5mm的电化学试样，然后进行钝化处理。钝化液选取60％的硝酸水溶液，钝化温度为30℃，钝化时间为6小时。将钝化处理后的试样浸入60℃水浴保温的、质量分数为3.5％氯化钠溶液中30分钟，获得稳定的开路电位，然后测试极化曲线。电化学工作站扫描范围为-0.4V～0.8V，扫描速率为20mV/分钟。结果显示，喷丸处理后的试样钝化区明显变宽，自腐蚀电流密度从喷丸处理前的1.58×10^-7A/cm²降低到3.98×10^-8A/cm²，点蚀击破电位从315mV提高到620mV，表明喷丸处理后316LN奥氏体不锈钢耐腐蚀性能得到显著的提高。