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铅铋共晶合金(LBE)优良的特性使其成为加速器驱动次临界系统(ADS)和铅冷快堆(LFR)冷却剂(兼ADS散裂靶)的首选材料。但是高温条件下,LBE对结构钢有很强的腐蚀作用。焊接技术被越来越多地应用于核工程领域并发挥着至关重要的作用,由于焊缝组织属于铸造组织,焊态下结构钢焊缝晶粒粗大以及焊接残余应力等因素都有增加腐蚀的倾向。因此研究结构钢焊接接头在液态LBE中的腐蚀行为及机理十分必要,为减少液态LBE对结构钢焊接接头的腐蚀提供可靠的理论指导和实验依据。 本文利用本课题组自主研制的旋转腐蚀试验装置开展了CLAM钢、Q235B钢和304不锈钢TIG焊接接头在液态LBE静态和动态条件下的腐蚀试验。采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、能谱仪(EDS)等分析测试手段研究了三种结构钢焊接接头的腐蚀行为。 在500℃饱和氧浓度液态LBE中经过200h和400h静态腐蚀后,焊态下和经过焊后热处理的CLAM钢TIG焊接接头均发生氧化腐蚀,表面都形成了双层结构的氧化层,外氧化层为疏松、多孔的Fe3O4,内氧化层为致密的Fe-Cr尖晶石FeCr2O4,基体材料中有明显的元素的溶解。随着时间的延长,CLAM钢焊接接头腐蚀速度降低。焊后热处理可有效提高焊接接头的耐腐蚀性能,并且焊缝耐蚀性低于热影响区。 在相对流速为1.1m/s、温度为450℃的饱和氧浓度液态LBE中腐蚀500h后,CLAM钢和Q235B钢焊接接头表面均有明显的氧化腐蚀和磨蚀现象并伴有基体材料中合金元素的溶解。CLAM钢焊接接头表面形成了双层结构的氧化层,外氧化层为Fe3O4,内氧化层为Fe-Cr尖晶石FeCr2O4; Q235B钢焊接接头表面氧化层为单一结构的Fe3O4。磨蚀使得两种钢焊接接头表面氧化层均出现凹凸不平的磨蚀坑。304不锈钢焊接接头表现出非常好的耐氧化腐蚀性能和耐磨蚀性能,表面形成一层非常薄(厚度(<<)1μm)的氧化层,无法确定该氧化层的组成。即使Ni在液态LBE中有很高的溶解度,基体材料中没有出现明显的组成元素溶解的现象。焊接接头表面也没有出现明显的磨蚀现象。对比发现,动态腐蚀条件下,304不锈钢焊接接头耐蚀性最好,CLAM钢其次,Q235B钢最差。CLAM钢和Q235B钢热影响区耐蚀性稍好于焊缝,但优势并不明显。分析认为尽管Cr在液态LBE中的溶解度大于Fe,有氧存在的条件下,Cr能提高结构钢耐液态LBE腐蚀性能。 静态和动态腐蚀条件下,结构钢焊接接头表面的氧化层对基体材料都具有一定的保护作用,能够有效抑制基体材料中合金元素向液态LBE中的溶解,缓解液态LBE对焊接接头的腐蚀,没有发现Pb、Bi渗透进基体材料。结合腐蚀实际情况,本文初步分析了CLAM钢焊接接头在本试验条件下的静态及动态腐蚀机理和Q235B钢焊接接头在本试验条件下的动态腐蚀机理。