高温模拟压水堆一回路水中对690TT镍基合金SCC敏感性的影响

林根仙,宋利君,刘灿帅,崔同明,许鑫和,吕战鹏

(1.苏州热工研究院有限公司,苏州 215004;2.上海大学材料科学与工程学院材料研究所,上海 200072)

1 试验

1.1 试验材料

试验材料为690TT镍基合金传热管,化学成分(质量分数)为:10.511% Fe，29.469% Cr，59.000% Ni，0.003% Si,0.020% C,0.340% Mn,0.020% Al,0.013% Co,0.009% Cu,0.024% Ti。从690TT镍基合金传热管上截取金相试样,使用SiC防水砂纸逐级(至2000号)打磨试样表面,然后用1 μm的金刚石研磨膏进行机械抛光(转速250 r/min,时间15 min),再依次用无水乙醇和丙酮超声清洗。在10%(质量分数)草酸溶液中采用30 V直流电对处理过的金相试样进行电解刻蚀(时间30～40 s)。然后,采用光学显微镜和扫描电镜(SEM)观察690TT镍基合金的组织,如图1所示,可见其平均晶粒尺寸约为42 μm,晶界上密布着析出的碳化物。

(a) OM

(b) SEM图1 690TT镍基合金的显微组织Fig.1 Microstructure of nickel-based alloy 690TT: (a) OM; (b) SEM

1.2 慢应变速率试验(SSRT)

将690TT镍基合金传热管制成管状试样,尺寸如图2所示。依次用400号、600号、1000号、1500号SiC防水砂纸打磨试样表面,并用去离子水、无水乙醇和丙酮依次超声清洗。SSRT的试验仪器和具体步骤参见文献[21-22]。

图2 慢应变速率试验管状试样的尺寸Fig.2 Size of tubular specimen for SSRT

2 结果与讨论

2.1 SSRT结果

690TT镍基合金在310 ℃含不同量硫酸根离子模拟压水堆一回路水中的SSRT结果如表1所示。结果表明:在不含硫酸根离子的高温水环境中690TT镍基合金的延展性最好,断后伸长率达到了68.9%,从拉伸开始到最后断裂的平均时间即破断时间约为382 h。当310 ℃模拟压水堆一回路水溶液中添加硫酸根离子后，690TT镍基合金的断后伸长率降低，破断时间缩短，断面收缩率和抗拉强度降低。

表1 690TT镍基合金在310 ℃含不同量硫酸根离子模拟压水堆一回路水中的SSRT结果Tab.1 SSRT results for nickel-based alloy 690TT in 310 ℃ simulated PWR primary water with different concentrations

2.2 断口形貌

(a) 正面整体形貌

(b) 正面局部形貌

(c) 侧面整体形貌

(d) 侧面局部形貌图3 在310 ℃不含的模拟压水堆一回路水中690TT镍基合金的断口形貌Fig.3 Fracture morphology of nickel-based alloy 690TT in simulated PWR primary water without at 310 ℃: (a) overall morphology of the front; (b) localized morphology of the front; (c) overall morphology of the side; (d) localized morphology of the side

(a) 正面整体形貌

(b) 正面局部形貌

(c) 侧面整体形貌

(d) 侧面局部形貌图4 在310 ℃含的模拟压水堆一回路水中690TT镍基合金的断口形貌Fig.4 Fracture morphology of nickel-based alloy 690TT in simulated PWR primary water containing 15 μg/kg at 310 ℃: (a) overall morphology of the front; (b) localized morphology of the front; (c) overall morphology of the side; (d) localized morphology of the side

(a) 正面整体形貌

(b) 正面局部形貌

(c) 侧面整体形貌

(d) 侧面局部形貌图5 在310 ℃含的模拟压水堆一回路水中690TT镍基合金的断口形貌Fig.5 Fracture morphology of nickel-based alloy 690TT in simulated PWR primary water containing 50 μg/kg at 310 ℃: (a) overall morphology of the front; (b) localized morphology of the front; (c) overall morphology of the side; (d) localized morphology of the side

(a) 正面整体形貌

(b) 正面局部形貌

(c) 侧面整体形貌

(d) 侧面局部形貌图6 在310 ℃含的模拟压水堆一回路水中690TT镍基合金的断口形貌Fig.6 Fracture morphology of nickel-based alloy 690TT in simulated PWR primary water containing 1 500 μg/kg at 310 ℃: (a) overall morphology of the front; (b) localized morphology of the front; (c) overall morphology of the side; (d) localized morphology of the side

3 结论

(1) 在310 ℃含不同量硫酸根离子模拟压水堆一回路水中对690TT镍基合金进行慢应变速率试验后,合金表面均失去金属光泽,断口附近也都出现颈缩现象。

(2) 690TT镍基合金的断口大多呈剪切状或者倾斜状。当高温模拟压水堆一回路水中硫酸根离子含量较低时,690TT镍基合金的SCC敏感性低,当硫酸根离子质量分数增加至1 500 μg/kg时,690TT镍基合金断口边缘出现了局部穿晶裂纹,SCC敏感性提高。