Pb及PbBi合金與T91鋼的潤(rùn)濕行為

劉 靜，姜志忠，田書(shū)建，黃群英，韓洋洋

（1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230026；2.中國(guó)科學(xué)院 核能安全技術(shù)研究所，中國(guó)科學(xué)院 中子輸運(yùn)理論與輻射安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031）

Pb及PbBi合金因具有沸點(diǎn)高、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)及中子學(xué)經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，是目前國(guó)際上鉛冷快堆及加速器驅(qū)動(dòng)的次臨界系統(tǒng)（ADS）鉛基反應(yīng)堆主選冷卻劑材料［1-2］。馬氏體鋼T91由于具有良好的機(jī)械性能、較高的導(dǎo)熱系數(shù)、良好的抗輻照腫脹性能和蠕變性能等，被選為鉛基反應(yīng)堆的候選結(jié)構(gòu)材料。中國(guó)科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所·FDS 團(tuán)隊(duì)一直從事鉛基反應(yīng)堆設(shè)計(jì)及液態(tài)金屬相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)的研究工作［3-12］，目前正在承擔(dān)中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“未來(lái)先進(jìn)核裂變能——ADS嬗變系統(tǒng)”（ADS專項(xiàng)）中鉛基反應(yīng)堆CLEAR 系列堆的設(shè)計(jì)與建造工作，T91鋼被選為CLEAR 堆換熱器等關(guān)鍵部件的候選結(jié)構(gòu)材料。研究發(fā)現(xiàn)，T91鋼在鉛鉍環(huán)境及應(yīng)力的共同作用下會(huì)發(fā)生韌性降低導(dǎo)致脆性斷裂的現(xiàn)象［13-14］，即液態(tài)金屬脆化（LME）效應(yīng)，會(huì)影響反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)安全。液態(tài)金屬脆化效應(yīng)的影響因素多且復(fù)雜，結(jié)構(gòu)材料發(fā)生脆斷的機(jī)制還不清晰。國(guó)際上普遍采用固-液兩相界面的“吸附理論”來(lái)解釋液態(tài)金屬脆化現(xiàn)象，認(rèn)為鋼表面吸附的液態(tài)金屬原子降低了鋼主要合金元素（如Fe、Cr、Ni等）間的結(jié)合能，進(jìn)而降低了鋼的斷裂韌度，導(dǎo)致提前斷裂。液態(tài)金屬與結(jié)構(gòu)材料間的潤(rùn)濕行為可定性反映鋼對(duì)液態(tài)金屬原子的吸附能力，對(duì)結(jié)構(gòu)材料在液態(tài)金屬中發(fā)生脆斷現(xiàn)象的預(yù)測(cè)及機(jī)理研究具有指導(dǎo)意義。

目前國(guó)際上主要采用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量鉛合金與結(jié)構(gòu)材料的接觸角來(lái)評(píng)估它們之間的潤(rùn)濕性，然而研究數(shù)據(jù)有限。Protsenko等［15］在采用靜滴法研究Pb與Fe-7.5%Cr鋼的潤(rùn)濕性中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度低于750 ℃時(shí)，熔融Pb與鋼之間是不潤(rùn)濕的，而當(dāng)溫度升高至850℃時(shí)，兩者間發(fā)生了從不潤(rùn)濕到潤(rùn)濕的轉(zhuǎn)變，認(rèn)為這種變化是由于在高真空環(huán)境下且溫度持續(xù)升高過(guò)程中鋼表面的氧化物不斷分解造成的。Protsenko等［16］還采用懸滴法研究了Pb與鎢在400 ℃時(shí)的潤(rùn)濕性，結(jié)果表明鎢表面氧化膜的存在導(dǎo)致了兩者間的接觸角約為106°，這說(shuō)明界面氧化物對(duì)固-液潤(rùn)濕性影響較大。Pb與結(jié)構(gòu)材料的潤(rùn)濕性研究尚較少，而PbBi的研究更為匱乏。因此，有必要開(kāi)展鉛合金與結(jié)構(gòu)材料間的潤(rùn)濕性及界面相互作用的研究。

本文開(kāi)展液態(tài)Pb和PbBi在T91 表面不同溫度下接觸角實(shí)時(shí)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，分別獲得Pb-T91和PbBi-T91兩個(gè)體系的接觸角隨溫度的變化規(guī)律，并對(duì)兩種液態(tài)金屬在T91鋼上的鋪展?jié)櫇裥袨檫M(jìn)行比較，利用掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜（EDS）分析其界面形貌及化學(xué)成分分布，為進(jìn)一步開(kāi)展液態(tài)金屬脆化效應(yīng)機(jī)理研究提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用Pb 樣品的純度為99.99%，PbBi合金是用純度均為99.99%的Pb和Bi金屬按質(zhì)量百分比為44.5∶55.5 熔煉而成［17］。從Pb和PbBi鑄錠中切取相同大小的圓柱試樣，尺寸為φ6 mm×6 mm。實(shí)驗(yàn)基板為T(mén)91 鋼，使用厚度為10mm 的板材，用線切割方法切成尺寸為20 mm×20 mm×2 mm 的片狀樣品。為盡量消除樣品表面粗糙度對(duì)固-液潤(rùn)濕性帶來(lái)的不確定影響，實(shí)驗(yàn)前首先對(duì)T91鋼基板樣品采用＃400～1 000的砂紙依次進(jìn)行研磨，然后用直徑為0.25μm 的金剛石拋光膏進(jìn)行拋光處理。Pb與PbBi合金樣品表面用＃1 000的砂紙研磨去除表面氧化膜，然后將Pb、PbBi合金和T91基板放入酒精中用超聲波清洗并吹干。

1.2 研究方法

數(shù)字化靜滴潤(rùn)濕性測(cè)量裝置示意圖如圖1所示。該裝置由加熱系統(tǒng)（加熱爐、石英管等）、氣體真空系統(tǒng)（真空泵、氣體管路等）、成像系統(tǒng)（光源、高像素?cái)?shù)碼相機(jī)等）及圖像處理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等組成。

Pb-T91和PbBi-T91體系潤(rùn)濕接觸角測(cè)量溫度區(qū)間分別取為350～600℃和200～600 ℃，測(cè)試溫度間隔取50℃。詳細(xì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：首先將處理好的Pb／PbBi合金柱狀樣品放在T91基板中心，后送入高溫爐管中心位置并密封石英管；然后升溫至預(yù)設(shè)溫度并保溫15min，并對(duì)Pb／PbBi合金在T91鋼基板上的形態(tài)進(jìn)行拍照；最后采用圖像分析軟件對(duì)Pb／PbBi合金液滴形態(tài)照片進(jìn)行處理，得到相應(yīng)溫度下的接觸角。為了降低實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的氧含量且保持爐膛內(nèi)氣壓恒定，爐內(nèi)連續(xù)通入高純氬氣進(jìn)行保護(hù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束待樣品冷卻至室溫后，沿樣品的中心切開(kāi)，研磨拋光后用SEM 和EDS分析界面微觀結(jié)構(gòu)及化學(xué)成分分布。

圖1 靜滴法潤(rùn)濕性測(cè)量裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of wetting measurement apparatus by sessile drop method

2 結(jié)果與討論

2.1 接觸角的測(cè)量

圖2 Pb和PbBi樣品在T91鋼表面隨溫度變化的潤(rùn)濕形態(tài)Fig.2 Shape evolution of Pb or PbBi drop on T91substrate with increase of temperature

圖2為典型溫度下經(jīng)計(jì)算機(jī)圖像處理后的Pb和PbBi合金液滴在T91 基板上的潤(rùn)濕形態(tài)照片。從圖2a中可看出，在溫度由350 ℃升至400 ℃過(guò)程中，液滴的高度升高，接觸角減小，而當(dāng)溫度由400℃升至600℃時(shí)，液滴的形狀基本保持不變。從圖2b 中可看出，PbBi合金液滴的形狀變化也出現(xiàn)了同樣現(xiàn)象，當(dāng)溫度由200℃升至400℃時(shí)，液滴的高度增大，接觸角逐漸減小；而當(dāng)溫度繼續(xù)升至600℃時(shí)，液滴的形狀幾乎無(wú)變化。

經(jīng)圖像處理軟件測(cè)量與計(jì)算，Pb-T91 與PbBi-T91接觸角隨溫度的變化關(guān)系如圖3 所示。所有測(cè)試溫度點(diǎn)測(cè)得的接觸角均大于90°，即液態(tài)Pb 和PbBi與T91 間的潤(rùn)濕性較差。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Protsenko 等［15］采用靜滴法研究熔融Pb與Fe-7.5%Cr鋼潤(rùn)濕性獲得的結(jié)果類似。這可能與實(shí)驗(yàn)條件有關(guān)，實(shí)驗(yàn)升溫過(guò)程中固-液界面生成的氧化物在某種程度阻礙了固體對(duì)液體的吸附。

圖3 Pb-T91和PbBi-T91接觸角隨溫度的變化Fig.3 Contact angles of Pb-T91and PbBi-T91versus temperature

在相同溫度下，PbBi-T91體系的接觸角稍大于Pb-T91的接觸角。對(duì)于Pb-T91 體系而言，當(dāng)溫度為350 ℃時(shí)，其接觸角約為109°，當(dāng)溫度從400 ℃升高至600 ℃時(shí)，其接觸角的變化范圍為94°～96°。針對(duì)PbBi-T91體系，當(dāng)溫度從200 ℃升至400 ℃時(shí)，其接觸角從123°逐漸降至108°；而當(dāng)溫度繼續(xù)升高至600℃時(shí)，接觸角在102°～106°之間波動(dòng)。這種現(xiàn)象可由楊氏方程［18］解釋：

其中：θE為固-液界面和液-氣界面間的平衡接 觸 角；γsg、γsl及γlg分 別 為 固-氣 界 面 張 力、固-液界面張力和液-氣界面張力。由于固體分子間的吸引力較大，且遷移較為困難，因此固-氣界面張力γsg和固-液界面張力γsl受環(huán)境影響較小，相對(duì)液-氣界面張力γlg的變化可認(rèn)為其基本保持恒定。因此，根據(jù)楊氏方程，在固定的固、液、氣體系中，接觸角θE主要由γlg決定。接觸角的變化可能與氣-液界面張力隨溫度的變化有關(guān)，王龍等［19］利用靜滴法在相同實(shí)驗(yàn)條件下研究了Bi含量對(duì)鉛合金表面張力的影響，研究表明鉛合金的表面張力在低溫時(shí)較小，而當(dāng)溫度升高時(shí)，其界面張力迅速升高且隨后變化平緩。根據(jù)楊氏方程，接觸角的變化主要與液-氣界面張力γlg有關(guān)，本實(shí)驗(yàn)中獲得的接觸角均大于90°，則γsg-γsl為負(fù)值，因此，在低溫條件下鉛合金較低的表面張力導(dǎo)致接觸角較大，而隨溫度的升高，液-氣界面張力增大時(shí)會(huì)引起接觸角的減小，隨后接觸角隨液-氣界面張力的穩(wěn)定而基本保持不變。

2.2 界面微觀分析

圖4為Pb-T91 和PbBi-T91 兩個(gè)體系接觸角測(cè)試完成后的界面微觀圖像?？煽闯?，Pb和PbBi與T91鋼之間在界面均未發(fā)生明顯的反應(yīng)。

圖5和圖6分別示出Pb-T91和PbBi-T91體系EDS分析圖。從Pb-T91界面面掃描結(jié)果可看出，Pb的分布較均勻；而PbBi-T91體系界面面掃描分析表明，PbBi中Pb和Bi原子分布不均勻，Pb原子向內(nèi)部偏聚，而B(niǎo)i原子向表面偏聚。PbBi合金中Bi原子的表面偏聚現(xiàn)象可解釋PbBi-T91的接觸角稍大于Pb-T91 的接觸角這種現(xiàn)象（如圖3所示）。由于Pb的表面張力高于Bi的表面張力［20］，PbBi液滴中Pb的內(nèi)部偏聚和Bi原子的表面偏聚導(dǎo)致液滴界面處Bi原子的含量升高，從而導(dǎo)致液-氣的界面張力γlg降低，根據(jù)楊氏方程，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，γsg-γsl為負(fù)值且恒定，γlg的降低會(huì)引起接觸角增大，即Bi加入Pb中降低了Pb與T91間的潤(rùn)濕性。

圖4 Pb-T91和PbBi-T91界面SEM 微觀照片F(xiàn)ig.4 SEM micrograph photos of Pb-T91and PbBi-T91interfaces

圖5 Pb-T91界面EDS面掃描照片F(xiàn)ig.5 EDS map scanning image of Pb-T91

圖6 PbBi-T91界面EDS面掃描照片F(xiàn)ig.6 EDS map scanning image of PbBi-T91

3 結(jié)論

本文采用數(shù)字化靜滴潤(rùn)濕性測(cè)量實(shí)驗(yàn)及微觀分析法，研究了Pb-T91和PbBi-T91兩個(gè)體系分別在350～600℃和200～600℃下的鋪展?jié)櫇裥袨榧敖缑嫦嗷プ饔?，主要結(jié)論如下。

1）Pb-T91和PbBi-T91兩個(gè)體系在所有測(cè)試溫度下的接觸角均大于90°，表明Pb／PbBi合金與T91鋼的潤(rùn)濕性不好；當(dāng)溫度低于400℃時(shí)，兩個(gè)體系的接觸角均隨溫度的升高而下降；當(dāng)溫度從400 ℃升至600 ℃時(shí)，兩個(gè)體系的接觸角基本保持不變，這與液-氣界面張力隨溫度的變化有關(guān)。

2）相同實(shí)驗(yàn)條件下，PbBi-T91 間的接觸角微大于Pb-T91間的接觸角，這是由于PbBi合金中Bi原子發(fā)生的表面偏聚現(xiàn)象引起液-氣界面張力減小導(dǎo)致的。

感謝FDS團(tuán)隊(duì)其他人員的指導(dǎo)和支持。

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