在腐蚀性环境中长期服役的工程结构材料,其环境失效裂纹的萌生与扩展通常与晶界密切相关。晶界工程(GBE)处理能够改善金属结构材料的晶界结构,大幅提高有序晶界比例,控制晶界特征分布,从而提高晶界的抗腐蚀开裂性能。然而,目前还没有GBE处理对核级奥氏体不锈钢高温高压水腐蚀疲劳性能影响的研究报道。
在中国科学院核用材料与安全评价重点实验室开放课题的资助下,课题组与上海大学合作,通过GBE技术调控了核级316LN奥氏体不锈钢的晶界特征分布,提高低∑ CSL(重位点阵)晶界比例。研究了GBE处理对316LN不锈钢在高温高压B/Li水中腐蚀疲劳性能的影响。结果表明,GBE处理后316LN不锈钢晶粒尺寸细化,低∑ CSL晶界比例大幅度提高。高温高压B/Li水腐蚀疲劳实验表明,无论是否经过GBE处理,316LN不锈钢均表现出确定的环境促进疲劳(EAF)效应。疲劳主裂纹主要以穿晶方式萌生和扩展,但疲劳微观组织小裂纹(MSCs)则以穿晶起始为主,部分伴有沿晶特征,即MSCs沿着自由大角晶界和∑ 3晶界萌生。GBE处理后的316LN不锈钢在高温高压水腐蚀疲劳寿命平均提高了20%。通过设计制备GBE处理和非GBE处理的316LN不锈钢,调整两者之间晶粒尺寸接近,而低∑ CSL晶界比例悬殊,进一步研究了经过GBE处理的316LN不锈钢高温高压水腐蚀疲劳寿命提高的本质原因。发现,GBE处理和非GBE处理的316LN不锈钢在高温高压B/Li水中的疲劳寿命相当,揭示了GBE处理增加316LN不锈钢高温高压水疲劳寿命应归因于晶粒细化而不是低∑ CSL晶界比例的提高,也说明提高不锈钢低∑ CSL晶界比例的主要作用是增强其沿晶开裂抗力而非穿晶开裂抗力。相关研究结果已发表于Corrosion Science, 152, 2019, 190-201.
As-received 316LN SS(上)、GBE处理的316LN SS(中)及非GBE处理的316LN SS(下)的高温高压水疲劳MSCs的萌生位置及扩展途径(EBSD面扫分析结果),其中黑线:RHABs;红线:Σ3 GBs;蓝线:Σ9 GBs;绿线:Σ27 GBs;黄线:其他低ΣCSL GBs