分享：敏化處理對超純奧氏體不銹鋼C25耐蝕性的影響

目前，世界上在運乏燃料后處理廠多使用PUREX流程，該流程使用硝酸加熱溶解乏燃料組件，基于TBP（三丁基膦）有機(jī)溶劑萃取鈾钚元素[1-3]。乏燃料后處理設(shè)備長期服役于高溫、高放射性、高鹽、強(qiáng)酸環(huán)境中，其結(jié)構(gòu)材料遭受著極嚴(yán)苛的腐蝕作用[4-6]，這對材料選型提出了極高的要求。為保證設(shè)備的服役壽命，材料必須在嚴(yán)苛的服役環(huán)境中保持較低的腐蝕速率和較強(qiáng)的耐晶間腐蝕性能[7-8]。法國和日本等國家針對不同服役環(huán)境中的后處理設(shè)備，根據(jù)材料耐蝕性選取了普通商品級奧氏體不銹鋼、后處理專用奧氏體不銹鋼（超純奧氏體不銹鋼和高Si不銹鋼）和耐蝕合金（鋯合金或鈦合金）[9-11]。基于我國缺乏后處理專用奧氏體不銹鋼產(chǎn)品的現(xiàn)狀，有必要針對超純奧氏體不銹鋼C25的耐蝕性進(jìn)行研究。 

晶間腐蝕是奧氏體不銹鋼在強(qiáng)氧化性、強(qiáng)酸性環(huán)境中最常見的腐蝕形式之一[12-14]，關(guān)于晶間腐蝕機(jī)理，目前主要有晶間貧Cr理論、第二相析出理論和晶界吸附理論等[15-18]。超低碳奧氏體不銹鋼在進(jìn)行本征晶間腐蝕敏感性試驗前進(jìn)行敏化處理，可評價經(jīng)歷焊接熱過程的焊接接頭對晶間腐蝕的敏感性[19-21]。 

為研究敏化態(tài)超純奧氏體不銹鋼C25在強(qiáng)氧化性及強(qiáng)酸性環(huán)境中的耐蝕性，對進(jìn)行固溶處理和固溶+敏化處理后的C25不銹鋼進(jìn)行了化學(xué)浸泡腐蝕試驗，分析了敏化處理和敏化制度對C25不銹鋼耐蝕性的影響，以期為后續(xù)后處理廠設(shè)備用耐蝕材料的設(shè)計選型提供試驗依據(jù)和理論參考。 

1.   試驗

1.1   試樣

試驗材料為采用50 kg真空感應(yīng)爐冶煉并鍛造成型的30 mm×50 mm超純奧氏體不銹鋼C25方坯，化學(xué)成分見表1。 

1.2   試驗方法

對固溶狀態(tài)（1 050 ℃×2 h水冷）超純奧氏體不銹鋼C25試樣進(jìn)行敏化處理，敏化制度參考GB/T 4334-2020《金屬和合金的腐蝕　奧氏體及鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》，除常規(guī)敏化制度（650 ℃×2 h空冷），還增加了兩種調(diào)整保溫溫度的敏化制度，試樣的詳細(xì)熱處理制度參數(shù)見表2。 

基于后處理設(shè)備中結(jié)構(gòu)材料的服役環(huán)境，化學(xué)浸泡腐蝕試驗用溶液分別為65%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）HNO3溶液和30% HNO3+100 mg/L Cr6+溶液，試驗溫度為溶液沸騰溫度，浸泡5個周期，每周期持續(xù)48 h。每個周期結(jié)束后，取出試樣并更新腐蝕溶液，將試樣清洗后測定腐蝕速率（每組試驗取兩個平行試樣，結(jié)果取其平均值）。浸泡腐蝕試驗完成后清洗試樣，使用砂紙逐級打磨（至1000號）試樣表面并拋光后，使用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察試樣表面和截面腐蝕形貌并測定晶間腐蝕深度。 

2.   結(jié)果與討論

2.1   沸騰65%HNO3浸泡腐蝕試驗

由表3可見，經(jīng)過不同熱處理制度處理后，試樣的腐蝕速率區(qū)別很小，可以認(rèn)為敏化處理和敏化處理溫度對試樣在沸騰65%HNO3中的腐蝕速率影響很小。 

由圖1可見：經(jīng)過固溶處理的試樣（1號）在沸騰65%HNO3中腐蝕后，晶界清晰顯現(xiàn)，晶粒內(nèi)部出現(xiàn)均勻分布的腐蝕凹坑，晶間腐蝕程度極??；經(jīng)過650 ℃×2 h敏化處理的試樣（2號）腐蝕后并未出現(xiàn)明顯的晶界優(yōu)先腐蝕現(xiàn)象，晶粒內(nèi)凹坑數(shù)量略有減少，晶界出現(xiàn)了連續(xù)凹坑狀的腐蝕形貌，這可能是由于M23C6碳化物或σ相的析出[22-23]。C25不銹鋼含Cr量較高且含C含量極小，因此少量的碳化物或σ相析出并不會在晶界上產(chǎn)生貧Cr區(qū)而對試樣的晶間腐蝕性能產(chǎn)生顯著影響；此外，敏化處理在一定程度上均勻化了P、Si等雜質(zhì)元素[24]，這導(dǎo)致敏化態(tài)試樣腐蝕速率不高于固溶態(tài)試樣。進(jìn)一步提高敏化溫度后，試樣腐蝕形貌并未出現(xiàn)明顯變化。 

圖  1  試樣在沸騰65%HNO3中腐蝕5個周期后的表面微觀形貌

Figure  1.  Surface micro-morphology of samples after 5 cycles of corrosion in boiling 65% HNO3

由圖2可見：經(jīng)過5個周期腐蝕試驗后，1號和2號試樣的晶界腐蝕深度均較小，且差異不大，2號試樣晶界處出現(xiàn)了少量細(xì)小的第二相，即M23C6碳化物或σ相，正是該相的腐蝕脫落形成了圖1中晶界連續(xù)凹坑的腐蝕形貌。由表4可見：與固溶試樣相比，經(jīng)過敏化處理試樣的平均腐蝕深度基本無變化。進(jìn)一步提高敏化溫度，試樣的平均晶間腐蝕深度略有降低，但由于本身腐蝕很淺，因此變化較小，此外，最大腐蝕深度也略有減少。 

圖  2  試樣在沸騰65%HNO3中腐蝕5個周期后的截面形貌

Figure  2.  The cross-sectional morphology of samples after 5 cycles of corrosion in boiling 65% HNO3

2.2   沸騰30%HNO3+100mg/L Cr6+溶液浸泡腐蝕試驗

由于第1周期腐蝕結(jié)果受試樣初始表面狀態(tài)影響較大，腐蝕速率不穩(wěn)定，不參與平均腐蝕速率計算。由表5可見：經(jīng)過650 ℃×2 h敏化處理試樣（2號）的腐蝕速率相較于1號試樣，基本無變化；當(dāng)敏化溫度從650 ℃提高至700 ℃，試樣（4號）的腐蝕速率下降，說明650 ℃×2 h敏化處理試樣的晶間腐蝕敏感性最強(qiáng)。 

由圖3可見，經(jīng)過5個周期腐蝕試驗后，1號試樣出現(xiàn)了顯著的晶間腐蝕，晶界處形成了較寬且深的腐蝕凹槽，視場內(nèi)多個晶粒內(nèi)部出現(xiàn)了均勻腐蝕，形成大量腐蝕溝槽和凹坑。經(jīng)過650 ℃×2 h敏化處理后，部分晶粒內(nèi)的腐蝕程度略有減輕，但晶間腐蝕程度略有上升，晶間腐蝕溝槽寬度略有增加，由于晶間腐蝕程度較為嚴(yán)重，敏化處理后晶界處的析出相對晶界腐蝕形貌基本無影響；此外，由于敏化處理對雜質(zhì)元素具有均勻化的作用，敏化態(tài)試樣的腐蝕速率不高于固溶態(tài)試樣。進(jìn)一步提高敏化溫度至700 ℃后，晶粒內(nèi)均勻腐蝕的面積有所減少，晶間腐蝕的程度略微減輕。 

圖  3  試樣在沸騰30%HNO3+100 mg/L Cr6+溶液中腐蝕5個周期后的表面微觀形貌

Figure  3.  Surface micro-morphology of samples after 5 cycles of corrosion in boiling 30%HNO3+100 mg/L Cr6+ solution: (a) without sensitization; (b) 650 ℃×2 h sensitization; (c) 675 ℃×2 h sensitization; (d) 700 ℃×2 h sensitization

由圖4可見：在沸騰30%HNO3+100 mg/L Cr6+溶液中腐蝕5個周期后，1號試樣晶界處出現(xiàn)了明顯的晶間腐蝕，試樣經(jīng)過650 ℃×2 h敏化處理并進(jìn)一步提高敏化溫度后，晶界處同樣出現(xiàn)了少量細(xì)小的第二相，晶間腐蝕程度無明顯變化。由表6可見：隨著敏化溫度的提升，平均晶間腐蝕深度和最大腐蝕深度均出現(xiàn)了少許降低，說明2號試樣的晶間腐蝕敏感性最強(qiáng)。 

圖  4  試樣在沸騰30%HNO3+100 mg/L Cr6+溶液中腐蝕5個周期后的截面形貌

Figure  4.  Cross-sectional morphology of samples after 5 cycles of corrosion in boiling 30%HNO3+100 mg/L Cr6+ solution

3.   結(jié)論

（1）超純奧氏體不銹鋼C25試樣在沸騰65%HNO3中表現(xiàn)出良好的耐蝕性，晶間腐蝕程度較小。經(jīng)過不同溫度×2 h空冷敏化處理后的超純奧氏體不銹鋼C25試樣在沸騰65%HNO3中的晶間腐蝕程度未明顯增加，敏化處理未對C25試樣耐蝕性產(chǎn)生負(fù)面影響，敏化溫度對試樣耐蝕性的影響由強(qiáng)到弱依次為650、675、700 ℃，即經(jīng)650 ℃×2 h空冷敏化處理的C25試樣的晶間腐蝕敏感性最強(qiáng)。 

（2）超純奧氏體不銹鋼C25試樣在沸騰30%HNO3+100 mg/L Cr6+溶液中表現(xiàn)出較為嚴(yán)重的晶間腐蝕。經(jīng)過不同溫度×2 h空冷敏化處理后的超純奧氏體不銹鋼C25試樣在沸騰30%HNO3+100 mg/L Cr6+溶液中同樣表現(xiàn)出較為嚴(yán)重的晶間腐蝕，但與固溶態(tài)試樣對比基本無差距，說明敏化處理未對C25試樣耐蝕性產(chǎn)生負(fù)面影響，敏化溫度對試樣耐蝕性的影響由強(qiáng)弱到弱依次為650、675、700 ℃，即經(jīng)過650 ℃×2 h空冷敏化處理的C25試樣的晶間腐蝕敏感性最強(qiáng)。

文章來源——材料與測試網(wǎng)