影响晶粒尺寸对奥氏体不锈钢晶间腐蚀敏感性的因素

奥氏体不锈钢扩散连接结构广泛应用于航空、核电领域和微化工机械领域。由于扩散连接工艺是一个高温热机械过程，奥氏体不锈钢在扩散连接过程中组织结构的改变导致其物理化学性能发生变化。在真空扩散连接后期随炉冷却降温阶段。奥氏体不锈钢在900C-450C敏化温度区间历经较长时间，该热处理会使常规奥氏体不锈钢品界处析出碳化物，导致其抗晶问腐蚀性能下降。但经历了高温形变热处理的奥氏体不锈钢扩散连接接头内部组织发生了变化，大量李晶的产生和晶粒的粗化将对其品间腐蚀性能产生影响。因此研究奥氏体不锈钢扩散连接结构的晶间腐蚀行为对于保证该类材料的安全使用有重要意义。

双环电化学动电位再活化法(Double loop elec-trochemical potentiokinctic reactivation, DLEPR)已广泛应用于评价奥氏体不锈钢晶问腐蚀性能。为此本文采用该方法研究奥氏体不锈钢扩散连接接头的晶间腐蚀敏感性。将微观组织观察和电化学方法相结合，研究晶粒大小和微观结构组织对奥氏体不锈钢扩散连接接头敏化性能的影响。

1、实验方法

本实验所用材料为316L不锈钢，其化学成分(mass%)別：C 0.01, Si 0.41, Mn 1.41, P 0.036, S0.006, Ni 12.43, Cr 17.84, Mo2.16。用于扩散连接实验的试样为480 mmx 50 mm的316L不锈铜棒料，连接表面租糙度为0.6~ 1.0 um。真空扩散连接爹数为:压力10 MPa,温度1100 C,真空度1.9x 10'Pa,保温时间3 h。扩散连接实验后试样随炉冷却,冷却曲线参见文献。

为得到不同品粒尺寸的试样，对316L不锈钢母材进行1100 C下不同保温时间的热处理,保温时间为0.5h.1h.1.5h.2h.2.5h及3h。在电化学实验之前，将母材和扩散连接接头试样进行650 C下的敏化处理，敏化时间分别为2h.8h.20 h、30h及100h.采用Olympus电子显微镜分别对敏化不同时间的试样进行微观组织观察。

双环电化学动电位再活化法测试系统由型号为273A电化学测试系统和Powersuite软件组成。采用三电极电解池体系,参比电极为饱和甘汞电极(SCE),辅助电极为石墨电极。实验溶液为硫酸和连四硫酸钠溶液(HSO4+NaSO),分别对热处理后的母材与扩散连接接头试样进行实验。本实验中电化学动电位再活化(EPR)测试参数选自参考文献[5],将多组实验参数进行正交试验,极差讨论,方差分析，最终确定了影响316LSS扩散接头晶间腐蚀敏感性最为显著的参数组合形式。结合本实验,选定其中的一组参数为:回归电位400 mV(相对标准点位SCE).扫描速度1.111 mV/s、溶液温度40 C(电解液的五口瓶始终放置于恒温水浴槽中以保持实验温度稳定). HSO.浓度为1.0 mol/L. NaSO。浓度为0.003 mol/L。

电化学试样尺寸为10 mmx10 mmx10 mm.实验前将Cu导线焊在试样上，用环氧树脂密封试样。将试样用金相砂纸打磨至800#。为防止缝隙腐蚀，将试样浸泡在50 T的30%HNO,溶液中预钝化1 h.进行DLEPR实验前,将试样浸泡在溶液中约5~10 min,得到自腐蚀电位,约为-430 mV(vs SCE)。从自腐蚀电位开始,以设定的扫描速度向阳极方向进行动电位扫描,至选定的钝化电位后以相同的速度回扫至腐蚀电位。由动电位极化曲线得到活化电流密度峰值(D)和再活化电流密度峰值(D),山再活化率R(I/L)定量地评价试样的晶间腐蚀敏感性。R值越大，奥氏体不锈钢晶间腐蚀敏感性越大。每个R值均是一-组测试参数下的3组平行试验的平均值所得。

2、结果及讨论

2.1、不同晶粒尺寸的试样和扩散连接接头的微观

结构

图1所示为1100C不同热处理时问的试样和扩散连接接头的微观组织形貌。采用晶粒评级软件对晶粒尺寸进行测量，最大和平均晶粒尺寸列于表1。随着热处理时间的增加,晶粒明显长大。母材初始晶粒为46um,0.Sh后增加车sspm,H在保温1h之后增长速度急剧上升,到1.5h时平均品粒尺寸儿乎是母材的两倍。当保温时间增加到3 h,平均品粒尺寸为173pm,4倍于原始母材的品粒。同时可以看到,保温时问越长,试样晶粒长大越不均匀,如图1c。

与1100C下保温3h的试样相比,书散连接接头是在1100 C下10MPa压力下保温3h。后者的平均晶粒尺寸为220 um,大于前者无压力下的晶粒尺寸(173 pum),最大品粒尺寸达到605 pum (图1d)。同时可以看到，在热处理试样和接头中都分布着大量的李品，如图1d.

2.2、晶粒尺寸对316L不锈钢敏化的影响

由于扩散连接过程是在真空状态下进行,扩散连接后316L不锈钢试样只能随炉冷却。试样从1100 C开始冷却,随着温度的下降，冷却速度逐渐变慢,连接试样经历敏化温度区间900 C-450 C的时间约为45 min。这种处理对于普通不锈钢而言会使其中的碳化物(Cr2C)沿晶界析出导致晶间腐蚀。但对于316L不锈钢扩散连接接头来讲，无论从扩散连接后试样的金相显微观察还是能谱分析结果都表明试样没有发生碳化物析出四。650 C下经过100 h的扩散连接接头品界周围没有产生贫格区，而母材经过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处的析出时间延长，从而增加了敏化时间。

图2所示为316L不锈钢不同晶粒尺寸试样和扩散连接接头试样在650 C下不同敏化时间的微观组织。如前所述,母材(晶粒尺寸为46um)经过8h后敏化,而晶粒为55 pum的试样经过8 h后没有敏化,在20 h后可见析出物，如图2a.但晶粒为77 um的试样经过20h后CrxC,开始析出, 30 h后可见大量析出物，如图2b。随着品粒的增大,所需敏化时间延长，如图2c中晶粒为173um的试样在100h时晶界处分布少量的析出物，而图2d中的扩散连接接头(晶粒为220 pum)100 h时却还未开始敏化(图中的黑点是在抛光过程中留下的)。但100 h时母材已经完全敏化。

图3所示为敏化时间为50 h时不同品粒尺寸的再活化率R的比较。随晶粒尺寸从55 um增加到89pm和145pm,R从0.1936降低到0.1219和0.0988,晶间腐蚀敏感性随晶粒尺寸的增加而降低。这是由于晶粒越大,碳化物在晶界析出所需时问越长。该结果与前人工作一致。 .

2.3、微观组织结构对316L不锈钢敏化的影响如前所述，扩散连接接头(晶粒尺寸为220 um)比1100 C下保温3 h的试样(晶粒尺寸为173 pm)晶粒大。表2给出了两者再活化率R的比较。可以看出,各个敏化时间下前者的R值小于后者，即扩散连接接头的晶间腐蚀敏感性更低。这主要是由于其晶粒尺寸更大的缘故,如图2d所示。但另一方面,扩散连接试样经历了热机械变形,尽管应变只有0.05%，但其微观结构发生明显变化，退火李晶大量产生。晶间腐蚀敏感性参数R是材料微观结构、晶粒尺寸和电化学环境共同作用的结果。即使在电化学环境完全- -样的情况 下,也很难将品粒尺寸从微观结构的影响中单独分离出来。但是，与已有的研究(316L不锈钢热机变形约5% ~ 20%)01相比,木文中316L不锈钢扩散连接接头的变形量几乎可以忽略。扩散连接过程中施加压力日的是促使原子的扩散,但由此产生的变形促进了晶粒的进一步长大和孪晶的形成。

大量研究表明，材料的抗晶间腐蚀能力受其晶界结构的影响。通过对奥氏体不锈钢材料进行合适的形变热处理在晶粒内诱发李晶,提高低能重位点阵CSL(coincident sitce latice)晶界的比例,就能大大改善材料的沿品腐蚀性能1。为此,采用SUPRA55VP的电子背散射测试系统对316L不锈钢扩散连接接头晶界分布特征进行分析。测试结果表明：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。图4所示为低能晶界的分布图，接头的低E-CSL晶界比例为59.4%,明显高于母材低E-CSL晶界的比例36%。该结果进一步证实 了电化学测试结果，即扩散连接工艺不仅没有降低316L不锈钢扩散连接接头的晶间腐蚀性能，反而使其抗晶间腐蚀能力大大提高。

通常通过降低碳含量、改变元素化学成分和改变晶界结构以提高低能晶界比例来提高奥氏体不锈钢抗敏化性能。本文结果表明，增加晶粒尺寸可大大降低奥氏体不锈钢晶问腐蚀敏感性。但晶粒尺寸的增加会使材料屈服强度和韧性降低，因此，如何获得优化的晶粒尺寸提高抗晶间腐蚀性能同时不牺牲材料的韧性是值得研究的问题。

3、结论

相比1100C下热处理保温3h的试样，扩散连接接头的品粒更大，且低能品界的比例更高,在650 C敏化100 h后未发现品粒敏化。316L不锈钢晶间腐蚀敏感性随着晶粒尺寸的增大而降低。晶粒粗化和应变诱发的低能品界比例的提高导致316L不锈钢扩散连接接头抗晶间腐蚀性能大大提高，但晶粒粗化是主要因素。