核电主管道用316LN不锈钢组织演变及腐蚀性能研究

发布时间：2020-10-09 21:02

　　超低碳316LN奥氏体不锈钢因其具有优良的耐蚀性能、力学性能以及焊接性能,已成为第三代核电技术AP1000一回路主管道的首选材料。AP1000核电一回路主管道尺寸为异形大尺寸构件,在生产加工过程中(如锻造、焊接和热处理)易出现晶粒不均匀、第二相析出等问题。这些组织演变问题会对主管道的耐蚀性能和力学性能造成不同程度的影响。因此,研究316LN不锈钢在生产加工过程中的组织演变规律及其对耐蚀性能的影响具有重要的意义。基于此,本文系统研究了主管道用316LN不锈钢在加热、冷却及高温长时间暴露过程中的组织演变规律及其对该材料在模拟一回路水环境中腐蚀性能的影响,主要研究内容和结果如下:(1)详细研究了固溶处理工艺与三种不同初始晶粒状态(30.3μm,66.5μm,121.4μm)316LN不锈钢的晶粒尺寸、力学性能及耐蚀性能之间的关系。结果表明:固溶温度是影响晶粒长大和组织均匀性的主要因素,当固溶温度在1050℃~1100℃之间时三种不同初始晶粒状态的316LN不锈钢晶粒长大都较均匀。随着固溶时间的延长,晶粒尺寸逐渐增大,不锈钢的抗拉强度和屈服强度降低,但不锈钢表面电子稳定性提高,钝化膜的均匀性及厚度增加,施主浓度和受主浓度减小,电化学腐蚀和晶间腐蚀性能得到改善。综合分析得出了AP1000核电主管道的最佳固溶处理工艺为1050℃~1100℃保温120 min~60 min,此工艺下获得的晶粒尺寸和力学性能均满足美国西屋公司的设计要求。(2)采取有限元模拟和热模拟实验相结合的方法,系统研究了AP1000核电主管道固溶处理后的冷却速率和合金成分波动对冷却过程组织转变规律的影响,结果表明:a)主管道在冷却过程各部位的温差很大,主管道内、外表面的冷却速率最快,接管嘴与管身相连部位的中心处冷却速率最慢。b)冷却速率的变化和成分的波动都会对316LN不锈钢的微观组织产生影响。当各合金元素成分都取中间值时,随着冷却速率的降低,不锈钢的位错密度逐渐减小,晶界Cr、Mo元素偏聚加重。当冷却速率低于1℃/min时,晶界、非共格孪晶以及晶内均会析出第二相,晶界析出相主要为χ相,而非共格孪晶和晶内析出相主要为Z相。析出相的出现会导致不锈钢表面钝化膜特性及耐蚀性能下降。而当Nb、C元素取成分上限,冷却速率为96℃/min时就会析出颗粒状的Z相,导致不锈钢的耐蚀性能下降,故此时应严格控制其冷却速率。(3)通过大量透射电镜、扫描电镜等表征手段对高Nb量316LN不锈钢在650~950℃的析出行为进行了研究,探明了析出相的类型及析出顺序,建立了时效动力学曲线,确定了敏感析出温度,探讨了析出机制。结果表明:a)高Nb量316LN不锈钢中首先析出的第二相为氮化物Z相。它的析出温度宽,析出速度快,持续析出时间长,尺寸稳定性较高,与基体之间存在一定的位向关系:[010]z//[110]γ,(~—102)z//(~—111)]γ。b)Nb元素的加入导致Z相优先析出,降低了奥氏体中N元素的饱和度,从而加速χ相、η相及ζ相等金属间化合物的析出,抑制M_(23)C_6的析出。c)在最敏感析出温度下(750℃),随着时效时间的延长,析出相的含量逐渐增加,尺寸增大,最终以链状形式布满整个晶界。其时效析出顺序为:首先在晶界和晶内位错上析出颗粒或短棒状的Z相→在晶界处析出块状或长条状的χ相→在晶内析出颗粒状的η相→在晶界处或晶内位错上析出块状的ζ相→最后在晶界处析出条状的M_(23)C_6。d)M_(23)C_6与奥氏体γ之间存在立方-立方的位向关系:[~—211]M_(23)C_6//[~—211]γ,(111)M_(23)C_6//(111)γ。χ相与奥氏体γ之间满足Nishiyama-Wassermann关系:[001]χ//[011]γ,(110)χ//(111)γ。ζ相易发生粗化,主要有三种形成方式:一是在奥氏体晶界尤其是三晶粒交界、晶内高密度位错区直接析出;二是在Z相周边的贫N区析出;三是由亚稳相χ相转变而成。(4)利用极化曲线、交流阻抗(EIS)、Mott-Schottky(M-S)曲线、X射线光电子能谱(XPS)等测试手段对时效处理后的316LN不锈钢在硼酸溶液中表面形成的钝化膜特性(致密性、厚度、结构、化学组成等)进行了详细分析,采用电化学动电位再活化法及慢应变速率腐蚀试验评价了不锈钢的晶间腐蚀和应力腐蚀性能,探讨了析出相与钝化膜特性、晶间腐蚀和应力腐蚀的关系。结果表明:a)析出相的存在对不锈钢表面钝化膜的组成没有影响,钝化膜主要由Fe和Cr的氧化物、氢氧化物及少量Ni和Mo的氧化物组成。但随着析出相含量的增加,钝化膜中施主浓度和受主浓度增大,致密程度及厚度减小,导致耐蚀性能下降,并对其原因进行了探讨。b)发现Z相的析出虽然也会增加钝化膜的施主浓度和受主浓度,使钝化膜的稳定性和致密程度降低,增加点蚀敏感性,但对晶间腐蚀影响不大。c)随着时效时间的延长,析出相的增加,316LN不锈钢在模拟一回路主管道服役环境下的应力腐蚀敏感性增加,断裂形式由固溶态的机械断裂转变为时效态的沿晶断裂、穿晶断裂或两者混合断裂,这与析出相的含量和分布密切相关。此外,还对裂纹的起源进行了分析,发现裂纹易起源于贫Cr区,这与该区域钝化膜的致密性较差有关。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG142.71;TM623
【文章目录】：
摘要
abstract
注释表
缩略词
第一章绪论
    1.1 引言
    1.2 核电一回路主管道简介
    1.3 不锈钢中合金元素的作用
    1.4 不锈钢中的析出相
    1.5 不锈钢的热处理
    1.6 不锈钢的腐蚀
    1.7 本文的主要研究内容
第二章实验材料及方法
    2.1 实验材料
    2.2 实验方法
    2.3 组织结构表征
    2.4 性能测试
第三章固溶处理对316LN不锈钢组织及性能的影响
    3.1 引言
    3.2 不同初始晶粒尺寸试样的制备
    3.3 固溶处理对316LN不锈钢晶粒尺寸的影响
    3.4 固溶处理对316LN不锈钢组织的影响
    3.5 晶粒尺寸对316LN不锈钢力学性能的影响
    3.6 晶粒尺寸对316LN不锈钢腐蚀性能的影响
    3.7 本章小结
第四章固溶后冷却速率对316LN不锈钢组织及腐蚀性能的影响
    4.1 引言
    4.2 AP1000 核电主管道冷却过程有限元模拟
    4.3 冷却速率对316LN不锈钢组织和腐蚀性能的影响
    4.4 成分波动对316LN不锈钢组织和腐蚀性能的影响
    4.5 本章小结
第五章高Nb量316LN不锈钢时效析出行为研究
    5.1 引言
    5.2 最敏感析出温度范围的确定
    5.3 最敏感析出温度的析出行为
    5.4 非敏感温度的析出行为
    5.5 第二相析出行为的讨论
    5.6 本章小结
第六章析出相对316LN不锈钢腐蚀性能的影响
    6.1 引言
    6.2 电化学腐蚀
    6.3 晶间腐蚀
    6.4 应力腐蚀
    6.5 本章小结
第七章结论及展望
    7.1 全文结论
    7.2 创新点
    7.3 展望
参考文献
致谢
在学期间的研究成果及发表的学术论文

【参考文献】