表面状态对蒸汽发生器传热管材高温高压水腐蚀行为的影响

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蒸汽发生器的传热管是压水堆核电站以及其他新型堆的重要结构部件之一。传热管长期服役过程中,腐蚀损伤的发生与发展通常起源于材料表面或近表面区域,且传热管在出厂、运输与安装的过程中通常会经历校平机械处理、表面划伤、高速喷丸等强烈塑性变形过程,所以材料表面状态严重影响其长期服役性能。因此,探究表面状态对传热管在服役环境下的长期腐蚀行为与短期电化学行为的影响具有重要意义,为关键部件的安全服役与未来构件设计与制造提供数据支撑。本论文以表面变形的625合金、表面喷丸处理的800合金以及表面划伤的690TT合金为研究对象,关注溶解氧(DO)、溶解氢(DH)、表面划伤压力、溶液温度、外加电位的影响,利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)、透射菊池衍射(TKD)、聚焦离子束切割(FIB)、透射电子显微镜(TEM)、旋进电子衍射(PED)、模拟一回路水均匀腐蚀实验、快速划伤电极技术、以及电化学等方法系统地表征与研究了表面经塑性变形后的基体结构、失稳裂纹成因、经过均匀腐蚀后的氧化物结构、择优腐蚀成因以及高温高压电化学特性。研究了表面变形的625合金表面微观结构、在两种溶解氧(DO<10 ppb与DO=2000 ppb)环境下的均匀腐蚀与择优腐蚀行为。结果表明,625合金表面经塑性变形后,合金表面存在较薄的塑性变形区。从表面至样品内部,呈现梯度纳米结构。在高温高压水溶液中,625合金表面的氧化物为面心立方结构的双层膜结构,内外层氧化物均为Ni(FeCr)2O4。内层氧化物最初沿着基体结构生长。择优腐蚀沿着Σ3晶界向合金内延伸。因625合金内的晶界多为大角度晶界,机械孪晶、微观变形带与位错等变形结构与大角度晶界互相作用,造成择优腐蚀周围存在大量的残余应变,使得Σ3晶界附近界面能增加,最终导致在此发生择优腐蚀。研究了表面喷丸处理的800合金表面微观结构、亚表层失稳断裂、以及在两种溶解氧环境下(DO<10 ppb,DO=300 ppb)的均匀腐蚀与择优腐蚀行为。结果表明,800合金表面存在约80μm厚的塑性变形区,且合金硬度随深度的增加而降低。从表面至样品内部,呈现梯度纳米结构。在未腐蚀样品的亚表层中发现一条“碗状”失稳裂纹。在高温高压水溶液中,当DO<10 ppb时,800合金表面的外层氧化物为单晶的Fe2(NiCr)O4,内层氧化物为多晶的(FeNi)Cr2O4。当DO=300 ppb时,内、外层与氧化物均为Fe2(NiCr)O4。内层氧化物最初沿着基体结构生长。发现“碗状”择优腐蚀。失稳裂纹与择优氧化均位于距离表面约500 nm处,二者处于纳米晶区与层片状超细晶区的界面附近。二者上方纳米晶内变形较小,残余应变较低,而其下方的层片晶内塑性变形较大,残余应变较高,因界面两侧塑性变形程度与残余应变水平相差甚远,导致界面附近残余应变集中,从而导致失稳断裂以及择优腐蚀。研究了表面划伤处理的690TT合金在模拟一回路水溶液中的基体溶解与氧化物生长行为。结果表明,在氧化物生长初期氧化物生长符合原子位置交换模型(PEM)。在氧化物生长末期氧化物生长符合高场离子传输模型(HFM)。氧化物生长动力学参数cBV数值与氧化物生长速率成反比。在不同划头压力的条件下,cBV随划头压力增加而降低,这表明氧化物生长速率随之升高,而基体的溶解速率随之下降。划头压力给基体带来更多缺陷,促进钝化膜生成反应,导致氧化物生长速率增加。在不同溶液温度条件下,cBV随温度增加而增加,这表明氧化物生长速率随之降低,而基体溶解速随之升高。利用Avrami动力学与PEM、HFM结合分析氧化物在各个生长过程中的详细动力学过程。在不同外加电位条件下,cBV随电位的增加而增加,这表明氧化物生长速率随之降低,而基体溶解速率随之升高。利用点缺陷模型(PDM)详细分析了电化学微观过程。在不同溶解氢条件下,cBV随DH增加而增加,这表明氧化物生长速率随之下降,基体溶解速率随之升高。
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