液態(tài)鋰鉛合金中316L不銹鋼管的靜態(tài)腐蝕行為

  采用掛片法、失重法和金相分析，開展了結(jié)構(gòu)材料316L不銹鋼管在液態(tài)鋰鉛合金中靜態(tài)腐蝕行為的研究。研究結(jié)果表明：316L不銹鋼管中的組分元素，在液態(tài)鋰鉛合金中發(fā)生了溶解和質(zhì)量遷移，這是導(dǎo)致材料腐蝕的主要原因，而溫度和合金中的氧含量是影響靜態(tài)腐蝕行為最重要的參數(shù)。為推進(jìn)聚變能的發(fā)展和利用，歐盟、美、俄、日、中、韓等將合作建設(shè)國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆。我國ITER實(shí)驗(yàn)包層工作組將液態(tài)鋰鉛包層模塊列為重點(diǎn)發(fā)展對象而開展研究。我院承擔(dān)的工作之一是液態(tài)鋰鉛包層回路中氚提取技術(shù)的研究，需要建造一套工程化的氚提取系統(tǒng)。316L不銹鋼管具有較優(yōu)良的抗高溫氧化和防氫脆性能，是核反應(yīng)堆、氫同位素分離系統(tǒng)的通用結(jié)構(gòu)材料。為完成TES的工藝設(shè)計(jì)與建造，滿足ITER實(shí)驗(yàn)的要求，本課題組開展了316L不銹鋼管在液態(tài)鋰鉛合金中腐蝕行為的預(yù)先研究，以探索金屬雜質(zhì)、非金屬雜質(zhì)所致的不銹鋼腐蝕機(jī)理，獲得腐蝕速率、擴(kuò)散系數(shù)等實(shí)用數(shù)據(jù)，并提出防腐措施以最大限度地減少材料腐蝕。

1. 材料與設(shè)備

LiPb合金，浙江至德鋼業(yè)有限公司，組成為鋰=7.64%，鉛=92.25%，鈉=0.1%，雜質(zhì)含量0.01%。316L不銹鋼管加工成10mm×10mm×2mm片狀樣品。主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備有：DX-1000型X-射線衍射儀，；日立Z-8200型原子吸收光譜儀；英國CAMBRIDGE S360型掃描電鏡；2XZ-4B型真空泵，國投南光有限公司；ESJ182-4型電子天平，稱量精度0.1mg。

2. 實(shí)驗(yàn)方法

  316L不銹鋼管樣品用汽油、堿水、丙酮、蒸餾水洗泡，風(fēng)干，天平稱重，SEM記錄原始形貌，編號。固態(tài)鋰鉛及樣品投入釜中，抽真空至3.0Pa，通高純氬作為保護(hù)氣，加熱(開啟循環(huán)冷卻水)，腐蝕完成后提升樣品至鋰鉛液面上，冷卻后取出樣品。用失重法評定樣品的平均腐蝕速率，用原子吸收光譜儀測其表面鉛含量，修正失重數(shù)據(jù)。腐蝕后樣品作SEM形貌測定，按HB5455-90評定腐蝕等級。制作金相磨片，利用XRD分析鋰鉛成分及樣品腐蝕前后的變化。

3. 腐蝕行為評定

  在浸泡周期和保護(hù)氣壓力一定的條件下，316L不銹鋼管樣品的腐蝕速率(V)為：V=(W0－W1)/At(1)W1=W2－W3(2)式中，W0為樣品原始重量，W1為修正后的蝕后重量，W2為蝕后重量，W3為樣品表面粘附的合金重量，A為樣品表面積，t為浸泡周期。表為腐蝕試驗(yàn)的結(jié)果。

  圖為樣品腐蝕前后的SEM形貌。根據(jù)BH5455-90標(biāo)準(zhǔn)，腐蝕等級可分為：N：樣品表面有變色或腐蝕現(xiàn)象，但無點(diǎn)蝕和剝蝕；P：不連續(xù)的、邊緣可能有輕微鼓起的腐蝕點(diǎn)；EA：表面少量鼓泡裂開，呈薄片或粉末，有剝落趨勢；EB：有明顯的分層并擴(kuò)展到金屬內(nèi)部；EC：腐蝕擴(kuò)展到較深的金屬內(nèi)部；ED：腐蝕發(fā)展到比EC更深的金屬內(nèi)部，有大量的金屬層脫落。本次實(shí)驗(yàn)的腐蝕等級評定結(jié)果列于表2中。

3. 溫度對腐蝕的影響

  溫度是結(jié)構(gòu)材料在鋰鉛合金中腐蝕的最重要的參數(shù)。如表所示，不同溫度下，316L不銹鋼管受液態(tài)鋰鉛溶解侵蝕的變化十分明顯。溫度較低時，316L不銹鋼與鋰鉛的相容性良好，相互侵蝕輕微；溫度達(dá)510℃以上，316L不銹鋼發(fā)生較嚴(yán)重的晶間腐蝕，液態(tài)金屬已經(jīng)滲透進(jìn)基體，通過膜層擴(kuò)散在金屬壁上形成樹枝狀結(jié)晶。這是因?yàn)?16L不銹鋼管屬于奧氏體鋼管，溫度不高的材料表面會形成氧化膜薄層，可有效阻止液態(tài)金屬對材料的侵蝕。但較高溫度下，316L不銹鋼管中的鉻(17.3%)、鎳(12.1%)、鉬(2.31%)在液態(tài)鋰鉛中的溶解度大為增加，發(fā)生濃度梯度質(zhì)量遷移，兩種或兩種以上的金屬間產(chǎn)生合金作用，降低的自由能成為遷移的驅(qū)動力。鉬、鎳、鉻原子擴(kuò)散達(dá)至鋰、鉛表面，與Li生成合金并向內(nèi)擴(kuò)散。這些金屬的固相化學(xué)勢差較大，且原子的擴(kuò)散速率主要取決于溫度。因此，溫度較高時，鉬、鎳、鉻在鋰鉛中溶解度的增大或鋰、鉛在鉬、鎳、鉻中溶解度的增大，都將促進(jìn)質(zhì)量遷移。這也可從316L不銹鋼腐蝕后的XRD譜和鋰鉛腐蝕前后成分變化的XRD譜中得到證實(shí)，生成了新的金屬間化合物相。

4. 氧含量對腐蝕的影響

  如表所示，在浸泡周期、溫度和保護(hù)氣壓力一定的情況下，液態(tài)金屬鋰鉛中的氧含量越高，316L不銹鋼管的腐蝕行為越嚴(yán)重。如表所示，在510℃的溫度下，316L不銹鋼管在鋰鉛中的腐蝕隨浸泡周期的延長而愈顯嚴(yán)重，但并非線性規(guī)律，腐蝕速率呈遞減規(guī)律，意味著總體上腐蝕有減緩的趨勢。

5. 靜態(tài)腐蝕機(jī)理和防腐措施

  上述研究結(jié)果表明，與其它液態(tài)金屬對材料腐蝕的行為一樣，316L不銹鋼管在液態(tài)LiPb合金中的腐蝕也系液態(tài)和固態(tài)金屬界面上的熱力學(xué)不平衡的結(jié)果，其表現(xiàn)形式有三：一是結(jié)構(gòu)材料組分元素在液態(tài)鋰鉛合金中的溶解；二是鋰鉛合金中的雜質(zhì)(尤其是氧)與材料組分元素及中間相產(chǎn)物的反應(yīng)；三是從系統(tǒng)高溫部分(熱區(qū))溶解出來的組分元素易向低溫部分(冷區(qū))擴(kuò)散和遷移，并可能在冷區(qū)有沉積。在熱區(qū)，由于材料組分元素的選擇性溶解，造成材料減輕或變??；在冷區(qū)，由于從熱區(qū)遷移來的組分元素的沉積而導(dǎo)致材料的顯微組織、電阻等性能發(fā)生改變。由此，我們提出如下防腐措施。首先，控制鋰鉛合金品質(zhì)，其雜質(zhì)含量(尤其是非金屬雜質(zhì))低于量級、冶煉時間充裕使混合相均勻；其次，嚴(yán)格控制溫度與溫差，考慮到密封材料和制備工藝，建議鋰鉛工作溫度為450℃~500℃；再者，裝置須實(shí)現(xiàn)較高真空程度的高溫密封和高純氬保護(hù)氣體的連續(xù)供應(yīng)；最后，結(jié)構(gòu)材料的品質(zhì)、機(jī)械加工、雜質(zhì)含量、表面處理等須符合防腐要求。

  采用掛片法、失重法和金相分析，進(jìn)行了316L不銹鋼管結(jié)構(gòu)材料在液態(tài)鋰鉛合金中靜態(tài)腐蝕行為的研究。研究結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)材料組分元素在液態(tài)鋰鉛合金中的溶解和質(zhì)量遷移是導(dǎo)致材料腐蝕的主要原因，組分遷移的動力來自系統(tǒng)中不同部位組分的化學(xué)活度或有效濃度的差異，溫度與合金、結(jié)構(gòu)材料中的氧含量是影響靜態(tài)腐蝕行為最重要的參數(shù)。