模拟压水堆水环境中Stellite 6堆焊层与304不锈钢的微动腐蚀行为

《Lubricants》：Fretting-Corrosion Behavior of Stellite 6 Overlay Welded on 304 Stainless Steel in Simulated PWR Water Environment Yuanbin Gui, Chengtao Li, Zhaoguang Zhu, Sunwu Xu, Bin Yang, Qianwu Li, Jing Wan and Shugang Zhang

　　

本研究在模拟高温高压压水堆（PWR）水环境中，系统探究了堆焊于304不锈钢（304SS）上的Stellite 6钴基堆焊层的微动腐蚀行为。研究考察了三种材料配对：Stellite 6/Stellite 6（C-C）、Stellite 6/304不锈钢（C-S）以及304不锈钢/304不锈钢（S-S）。磨损行为通过质量损失、表面形貌、表面化学、摩擦演变及亚表面变形进行评估。结果表明，材料配对强烈影响微动腐蚀过程中的摩擦稳定性和损伤演化。C-C接触表现出相对稳定的摩擦系数和连续的磨损形貌，其损伤以塑性变形为主导。相比之下，C-S和S-S接触表现出更强的磨损-腐蚀交互作用，其特征为磨屑积累、氧化膜不稳定以及波动的摩擦行为。尽管在不同接触对中观察到相同的氧化物种类，但其分布和稳定性差异巨大，从而导致了不同的损伤模式。电子背散射衍射（EBSD）分析显示，C-C接触中的微动能量主要通过近表面区域的塑性应变来容纳，而C-S和S-S接触中的变形则更为局域化和间断。这些结果表明，在不同材料配对下，氧化膜稳定性和亚表面应变分布共同控制着摩擦行为和微动腐蚀损伤。

在压水堆（PWR）运行过程中，一回路冷却剂在复杂流道中的湍流、压力波动和局部流速变化会在构件表面诱发流动诱导振动（FIV）。在关键位置，如蒸汽发生器管-防振条接触处、堆内构件配合界面和阀门密封面，这种振动通常表现为接触界面上的小振幅、高频振荡运动，从而在高温水环境中引发微动腐蚀损伤。在高温水环境中，机械磨损常与腐蚀反应耦合，加速损伤演化，最终可能导致微动腐蚀失效，威胁核能构件的结构完整性。钴基堆焊硬面层被广泛用于提高这些关键构件的耐磨性；其中，Stellite型合金由富Cr碳化物（主要为M₇C₃）增强的γ-Co固溶体组成，兼具高耐磨性和耐腐蚀性，广泛用于反应堆内部构件的阀座和配合面。先前关于钴基合金的研究主要集中于滑动磨损机制和相关亚表面响应，而核领域的微动研究则主要集中在燃料组件定位格架和蒸汽发生器管。针对阀门和堆内构件表面堆焊体系在模拟PWR一回路条件下（320 °C， 13 MPa）的微动腐蚀行为和损伤机制的系统性研究仍然有限。因此，本研究在模拟PWR条件下，考察了304不锈钢上Stellite 6堆焊层的微动腐蚀行为。测试了三种代表性配对：堆焊层/堆焊层（C-C）、堆焊层/304（C-S）和304/304（S-S），并结合质量损失、三维表面形貌、扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）、X射线光电子能谱（XPS）和电子背散射衍射（EBSD）等手段，阐明了表面和亚表面损伤演化，为评估硬面层性能及核应用材料选择提供了实验支持。

本研究选用Stellite 6钴基堆焊层和304不锈钢进行微动腐蚀研究。Stellite 6堆焊层通过手工钨极氩弧焊（TIG）沉积在304不锈钢基体上。四道堆焊产生了约7毫米的总堆焊层厚度。高纯氩气用作焊接保护气体。沉积的堆焊层显示出良好的表面外观和与基体的致密冶金结合；未观察到明显的焊接缺陷（气孔、裂纹或夹渣）。金属显微组织检查表明，堆焊层由均匀分散的Cr₇C₃型碳化物的γ-Co固溶体基体组成；组织连续均匀，无宏观偏析或缺陷，表明冶金质量良好。通过光谱分析测量了堆焊层和304基体的化学成分，结果符合RCC-M标准的相关范围。

微动腐蚀试验采用平面对平面接触构型，在对偶试件上加工一个矩形凸台以定义名义接触面积。固定试件尺寸为24 mm × 10 mm × 3 mm，对偶试件尺寸为34 mm × 10 mm × 2 mm。凸台尺寸为5 mm × 5 mm × 2 mm，边缘有1 mm的圆角半径以降低局部应力集中。在所有测试中，凸台试件作为对偶试件并承受循环切向位移，而平面试件被固定。研究了三种代表性材料配对：堆焊层/堆焊层（C-C）、堆焊层/304不锈钢（C-S）和304不锈钢/304不锈钢（S-S）。试验前，接触表面依次使用粒度为600、1000、2000、3000、5000和7000的SiC砂纸研磨，最后使用1 μm金刚石悬浮液抛光至镜面光洁度，确保初始表面条件一致。所有微动腐蚀试验均在320 °C、13 MPa的模拟PWR一回路水中进行，溶液含1200 ppm B³⁺（以H₃BO₃形式）和2.2 ppm Li⁺（以LiOH形式），测试前用高纯氮气吹扫以最小化溶解氧含量。试验使用Bruker FMS-0.5微动腐蚀试验机，施加60 N法向载荷，振动频率25 Hz，位移幅值±60 μm，总微动循环次数为2×10⁵次。

试验后，试件在无水丙酮中超声清洗5分钟以去除松散附着的碎屑。使用分析天平称重以确定质量损失。使用扫描电子显微镜（SEM）检查微动痕的宏观和微观形貌，并使用能谱仪（EDS）分析磨损表面的元素分布。使用X射线光电子能谱（XPS）确定表面氧化物和磨损材料的化学状态。此外，制备了典型微动痕的横截面进行电子背散射衍射（EBSD）分析，以识别晶体取向变化和近表面区域的局部塑性应变累积。

为确保数据可靠性，每种材料组合均进行了重复试验。结果在摩擦响应、质量损失和磨损形貌方面表现出良好一致性。微动痕呈现出与接触界面连续滑动相关的特征性材料去除特征，表明本研究的微动条件主要处于完全滑动区域。

研究结果表明，材料配对是决定摩擦稳定性和微动腐蚀损伤发展的关键因素。钴基合金自配副接触（C-C）表现出比不锈钢更低的摩擦系数和更好的稳定性。主要损伤机制取决于材料组合。以机械磨损为主、伴随连续塑性变形的损伤主导了C-C接触，而C-S和S-S接触则表现出增加的磨损-腐蚀交互作用，其特征为碎屑堆积、氧化膜不稳定和摩擦波动。氧化膜稳定性（而非氧化物种类）决定了界面行为。尽管在不同接触对中检测到相似的氧化物组成，但其空间分布和稳定性的差异导致了不同的损伤形貌和摩擦响应。亚表面应变容纳方式控制着界面稳定性。C-C接触中集中的近表面塑性变形促进了相对稳定的摩擦学状态，而不锈钢参与的接触中局域化和不连续的变形则导致了渐进式损伤和摩擦不稳定。