影響晶粒尺寸對奧氏體不銹鋼晶間腐蝕敏感性的因素

奧氏體不銹鋼擴(kuò)散連接結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于航空、核電領(lǐng)域和微化工機(jī)械領(lǐng)域。由于擴(kuò)散連接工藝是一個高溫?zé)釞C(jī)械過程，奧氏體不銹鋼在擴(kuò)散連接過程中組織結(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)致其物理化學(xué)性能發(fā)生變化。在真空擴(kuò)散連接后期隨爐冷卻降溫階段。奧氏體不銹鋼在900C-450C敏化溫度區(qū)間歷經(jīng)較長時間，該熱處理會使常規(guī)奧氏體不銹鋼品界處析出碳化物，導(dǎo)致其抗晶問腐蝕性能下降。但經(jīng)歷了高溫形變熱處理的奧氏體不銹鋼擴(kuò)散連接接頭內(nèi)部組織發(fā)生了變化，大量李晶的產(chǎn)生和晶粒的粗化將對其品間腐蝕性能產(chǎn)生影響。因此研究奧氏體不銹鋼擴(kuò)散連接結(jié)構(gòu)的晶間腐蝕行為對于保證該類材料的安全使用有重要意義。

雙環(huán)電化學(xué)動電位再活化法(Double loop elec-trochemical potentiokinctic reactivation, DLEPR)已廣泛應(yīng)用于評價奧氏體不銹鋼晶問腐蝕性能。為此本文采用該方法研究奧氏體不銹鋼擴(kuò)散連接接頭的晶間腐蝕敏感性。將微觀組織觀察和電化學(xué)方法相結(jié)合，研究晶粒大小和微觀結(jié)構(gòu)組織對奧氏體不銹鋼擴(kuò)散連接接頭敏化性能的影響。

1、實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)所用材料為316L不銹鋼，其化學(xué)成分(mass%)別：C 0.01, Si 0.41, Mn 1.41, P 0.036, S0.006, Ni 12.43, Cr 17.84, Mo2.16。用于擴(kuò)散連接實(shí)驗(yàn)的試樣為480 mmx 50 mm的316L不銹銅棒料，連接表面租糙度為0.6~ 1.0 um。真空擴(kuò)散連接爹數(shù)為:壓力10 MPa,溫度1100 C,真空度1.9x 10'Pa,保溫時間3 h。擴(kuò)散連接實(shí)驗(yàn)后試樣隨爐冷卻,冷卻曲線參見文獻(xiàn)。

為得到不同品粒尺寸的試樣，對316L不銹鋼母材進(jìn)行1100 C下不同保溫時間的熱處理,保溫時間為0.5h.1h.1.5h.2h.2.5h及3h。在電化學(xué)實(shí)驗(yàn)之前，將母材和擴(kuò)散連接接頭試樣進(jìn)行650 C下的敏化處理，敏化時間分別為2h.8h.20 h、30h及100h.采用Olympus電子顯微鏡分別對敏化不同時間的試樣進(jìn)行微觀組織觀察。

雙環(huán)電化學(xué)動電位再活化法測試系統(tǒng)由型號為273A電化學(xué)測試系統(tǒng)和Powersuite軟件組成。采用三電極電解池體系,參比電極為飽和甘汞電極(SCE),輔助電極為石墨電極。實(shí)驗(yàn)溶液為硫酸和連四硫酸鈉溶液(HSO4+NaSO),分別對熱處理后的母材與擴(kuò)散連接接頭試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)中電化學(xué)動電位再活化(EPR)測試參數(shù)選自參考文獻(xiàn)[5],將多組實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn),極差討論,方差分析，最終確定了影響316LSS擴(kuò)散接頭晶間腐蝕敏感性最為顯著的參數(shù)組合形式。結(jié)合本實(shí)驗(yàn),選定其中的一組參數(shù)為:回歸電位400 mV(相對標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位SCE).掃描速度1.111 mV/s、溶液溫度40 C(電解液的五口瓶始終放置于恒溫水浴槽中以保持實(shí)驗(yàn)溫度穩(wěn)定). HSO.濃度為1.0 mol/L. NaSO。濃度為0.003 mol/L。

電化學(xué)試樣尺寸為10 mmx10 mmx10 mm.實(shí)驗(yàn)前將Cu導(dǎo)線焊在試樣上，用環(huán)氧樹脂密封試樣。將試樣用金相砂紙打磨至800#。為防止縫隙腐蝕，將試樣浸泡在50 T的30%HNO,溶液中預(yù)鈍化1 h.進(jìn)行DLEPR實(shí)驗(yàn)前,將試樣浸泡在溶液中約5~10 min,得到自腐蝕電位,約為-430 mV(vs SCE)。從自腐蝕電位開始,以設(shè)定的掃描速度向陽極方向進(jìn)行動電位掃描,至選定的鈍化電位后以相同的速度回掃至腐蝕電位。由動電位極化曲線得到活化電流密度峰值(D)和再活化電流密度峰值(D),山再活化率R(I/L)定量地評價試樣的晶間腐蝕敏感性。R值越大，奧氏體不銹鋼晶間腐蝕敏感性越大。每個R值均是一-組測試參數(shù)下的3組平行試驗(yàn)的平均值所得。

2、結(jié)果及討論

2.1、不同晶粒尺寸的試樣和擴(kuò)散連接接頭的微觀

結(jié)構(gòu)

圖1所示為1100C不同熱處理時問的試樣和擴(kuò)散連接接頭的微觀組織形貌。采用晶粒評級軟件對晶粒尺寸進(jìn)行測量，最大和平均晶粒尺寸列于表1。隨著熱處理時間的增加,晶粒明顯長大。母材初始晶粒為46um,0.Sh后增加車sspm,H在保溫1h之后增長速度急劇上升,到1.5h時平均品粒尺寸兒乎是母材的兩倍。當(dāng)保溫時間增加到3 h,平均品粒尺寸為173pm,4倍于原始母材的品粒。同時可以看到,保溫時問越長,試樣晶粒長大越不均勻,如圖1c。

與1100C下保溫3h的試樣相比,書散連接接頭是在1100 C下10MPa壓力下保溫3h。后者的平均晶粒尺寸為220 um,大于前者無壓力下的晶粒尺寸(173 pum),最大品粒尺寸達(dá)到605 pum (圖1d)。同時可以看到，在熱處理試樣和接頭中都分布著大量的李品，如圖1d.

2.2、晶粒尺寸對316L不銹鋼敏化的影響

由于擴(kuò)散連接過程是在真空狀態(tài)下進(jìn)行,擴(kuò)散連接后316L不銹鋼試樣只能隨爐冷卻。試樣從1100 C開始冷卻,隨著溫度的下降，冷卻速度逐漸變慢,連接試樣經(jīng)歷敏化溫度區(qū)間900 C-450 C的時間約為45 min。這種處理對于普通不銹鋼而言會使其中的碳化物(Cr2C)沿晶界析出導(dǎo)致晶間腐蝕。但對于316L不銹鋼擴(kuò)散連接接頭來講，無論從擴(kuò)散連接后試樣的金相顯微觀察還是能譜分析結(jié)果都表明試樣沒有發(fā)生碳化物析出四。650 C下經(jīng)過100 h的擴(kuò)散連接接頭品界周圍沒有產(chǎn)生貧格區(qū)，而母材經(jīng)過8 h敏化后,CrxC.碳化物沿晶界析出凹。其主要原因是粗化的品粒使得碳化物在品界處的析出時間延長，從而增加了敏化時間。

圖2所示為316L不銹鋼不同晶粒尺寸試樣和擴(kuò)散連接接頭試樣在650 C下不同敏化時間的微觀組織。如前所述,母材(晶粒尺寸為46um)經(jīng)過8h后敏化,而晶粒為55 pum的試樣經(jīng)過8 h后沒有敏化,在20 h后可見析出物，如圖2a.但晶粒為77 um的試樣經(jīng)過20h后CrxC,開始析出, 30 h后可見大量析出物，如圖2b。隨著品粒的增大,所需敏化時間延長，如圖2c中晶粒為173um的試樣在100h時晶界處分布少量的析出物，而圖2d中的擴(kuò)散連接接頭(晶粒為220 pum)100 h時卻還未開始敏化(圖中的黑點(diǎn)是在拋光過程中留下的)。但100 h時母材已經(jīng)完全敏化。

圖3所示為敏化時間為50 h時不同品粒尺寸的再活化率R的比較。隨晶粒尺寸從55 um增加到89pm和145pm,R從0.1936降低到0.1219和0.0988,晶間腐蝕敏感性隨晶粒尺寸的增加而降低。這是由于晶粒越大,碳化物在晶界析出所需時問越長。該結(jié)果與前人工作一致。 .

2.3、微觀組織結(jié)構(gòu)對316L不銹鋼敏化的影響如前所述，擴(kuò)散連接接頭(晶粒尺寸為220 um)比1100 C下保溫3 h的試樣(晶粒尺寸為173 pm)晶粒大。表2給出了兩者再活化率R的比較?？梢钥闯?各個敏化時間下前者的R值小于后者，即擴(kuò)散連接接頭的晶間腐蝕敏感性更低。這主要是由于其晶粒尺寸更大的緣故,如圖2d所示。但另一方面,擴(kuò)散連接試樣經(jīng)歷了熱機(jī)械變形,盡管應(yīng)變只有0.05%，但其微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，退火李晶大量產(chǎn)生。晶間腐蝕敏感性參數(shù)R是材料微觀結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸和電化學(xué)環(huán)境共同作用的結(jié)果。即使在電化學(xué)環(huán)境完全- -樣的情況 下,也很難將品粒尺寸從微觀結(jié)構(gòu)的影響中單獨(dú)分離出來。但是，與已有的研究(316L不銹鋼熱機(jī)變形約5% ~ 20%)01相比,木文中316L不銹鋼擴(kuò)散連接接頭的變形量幾乎可以忽略。擴(kuò)散連接過程中施加壓力日的是促使原子的擴(kuò)散,但由此產(chǎn)生的變形促進(jìn)了晶粒的進(jìn)一步長大和孿晶的形成。

大量研究表明，材料的抗晶間腐蝕能力受其晶界結(jié)構(gòu)的影響。通過對奧氏體不銹鋼材料進(jìn)行合適的形變熱處理在晶粒內(nèi)誘發(fā)李晶,提高低能重位點(diǎn)陣CSL(coincident sitce latice)晶界的比例,就能大大改善材料的沿品腐蝕性能1。為此,采用SUPRA55VP的電子背散射測試系統(tǒng)對316L不銹鋼擴(kuò)散連接接頭晶界分布特征進(jìn)行分析。測試結(jié)果表明：在所有低Z-CSL晶界中,除了E3'以外，其它低S-CSL品界含量很少。而在所有23°品界中,Z3的含量最多。圖4所示為低能晶界的分布圖，接頭的低E-CSL晶界比例為59.4%,明顯高于母材低E-CSL晶界的比例36%。該結(jié)果進(jìn)一步證實(shí) 了電化學(xué)測試結(jié)果，即擴(kuò)散連接工藝不僅沒有降低316L不銹鋼擴(kuò)散連接接頭的晶間腐蝕性能，反而使其抗晶間腐蝕能力大大提高。

通常通過降低碳含量、改變元素化學(xué)成分和改變晶界結(jié)構(gòu)以提高低能晶界比例來提高奧氏體不銹鋼抗敏化性能。本文結(jié)果表明，增加晶粒尺寸可大大降低奧氏體不銹鋼晶問腐蝕敏感性。但晶粒尺寸的增加會使材料屈服強(qiáng)度和韌性降低，因此，如何獲得優(yōu)化的晶粒尺寸提高抗晶間腐蝕性能同時不犧牲材料的韌性是值得研究的問題。

3、結(jié)論

相比1100C下熱處理保溫3h的試樣，擴(kuò)散連接接頭的品粒更大，且低能品界的比例更高,在650 C敏化100 h后未發(fā)現(xiàn)品粒敏化。316L不銹鋼晶間腐蝕敏感性隨著晶粒尺寸的增大而降低。晶粒粗化和應(yīng)變誘發(fā)的低能品界比例的提高導(dǎo)致316L不銹鋼擴(kuò)散連接接頭抗晶間腐蝕性能大大提高，但晶粒粗化是主要因素。