γ预辐照对管流冲刷条件下铍在EDM-1中腐蚀性能的影响

工程科学学报，第40卷，第12期：1518-1524,2018年12月 Chinese Joural of Engineering,Vol.40,No.12:1518-1524,December 2018 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.010;http://journals.ustb.edu.cn Y预辐照对管流冲刷条件下铍在EDM-1中腐蚀性能 的影响 郑莉芳)，黄俊忠”，王晓刚，姜竹2)，丁玉龙2) 1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832)英国伯明翰大学化工学院，伯明翰B152TT ☒通信作者，E-mail:zhenglifang(@ustb.cdu.cn 摘要构建管流式冲刷腐蚀实验装置研究y预辐照对铍在一号电火花加工油(EDM-1)中腐蚀性能的影响，研究铍试样质 量变化，进行表面形貌及成分分析.结果表明，铍在EDM-1管流冲刷条件下受冲刷腐蚀和化学腐蚀的共同作用，前者主要受 试样表面形态影响，后者主要受γ预辐照剂量、杂质元素、EDM-1中含硫有机物等的影响.辐照前后，试样质量均呈现先减 小、后增大、再减小趋势，腐蚀速率基本随辐照剂量的升高而增大.γ预辐照促进了铍试样在EDM-1中点蚀核和蚀孔的产生， 腐蚀2880h后，未接受预辐照试样仅产生较为明显点蚀核，而接受200和100kGy预辐照试样中的部分点蚀核发展成为蚀孔， 前者直径约为后者2倍.点蚀核和蚀孔区域出现Al,Si,Fe、Cr、Ti等杂质元素及S元素，杂质元素为诱导产生点蚀的重要因 素，含S有机物发生化学反应分别生成物理吸附和化学吸附于蚀孔内部的$0，和$0，促进蚀孔的形成及扩展. 关键词铍：y辐照；腐蚀：点蚀 分类号TG146.2 Corrosion of beryllium in EDM-1 fluid after y pre-irradiation ZHENG Li-fang,HUANG Jun-zhong,WANG Xiao-gang,JIANG Zhu),DING Yu-long?) 1)School of Mechanical Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)School of Chemical Engineering,University of Birmingham,Birmingham B15 2TT,UK Corresponding author,E-mail:zhenglifang@ustb.edu.cn ABSTRACT Beryllium is one of the most important materials in particle physics and nuclear physics experiments.Among these ap- plications,it is used as the material in particle collision tubes,such as the beam pipe in the operational Beijing Electron and Positron Collider (BEPC II)and in the Circular Electron Positron Collider (CEPC)currently in the planning stage.High-speed particles pro- duce large amounts of y irradiation and impose a heat load on the beam pipe.The beam pipe must be cooled by the scouring fluid to maintain a stable temperature for particle detection;this cooling process will induce fluid erosion of the beam pipe.The corrosion prop- erties of materials in contact with the oil No.I for electric discharge machining(EDM-1)fluid under irradiation are not yet known.A device for testing pipeline corrosion was built to study the corrosion of beryllium in EDM-1 fluid after y pre-irradiation.The mass of the sample was measured by an electronic balance,and the surface morphologies and composition were examined by scanning electron mi- croscopy (SEM),X-ray energy dispersive spectroscopy (EDS),X-ray photoelectron spectroscopy (XPS),and X-ray diffraction (XRD).The results show that the corrosion of beryllium in EDM-1 is affected by two corrosion mechanisms:erosion and chemical corrosion.Erosion is mainly influenced by the surface morphology of the sample,whereas the chemical comrosion is mainly influenced by the dose of y irradiation,impurity elements in the sample,and organic sulfides in EDM-1.Measurements of the sample before and after irradiation reveal that the mass decreases,then increases,and then decreases again under the combined effects of the two kinds of 收稿日期：2018-07-06 基金项目：国家自然科学基金资助项目(11875003)：国家重点研发计划重点专项资助项目(2016Y℉C0802905)

工程科学学报,第 40 卷,第 12 期:1518鄄鄄1524,2018 年 12 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 40, No. 12: 1518鄄鄄1524, December 2018 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2018. 12. 010; http: / / journals. ustb. edu. cn 酌 预辐照对管流冲刷条件下铍在 EDM鄄鄄 1 中腐蚀性能 的影响 郑莉芳1) 苣 , 黄俊忠1) , 王晓刚1) , 姜 竹2) , 丁玉龙2) 1) 北京科技大学机械工程学院, 北京 100083 2) 英国伯明翰大学化工学院, 伯明翰 B15 2TT 苣通信作者, E鄄mail: zhenglifang@ ustb. edu. cn 摘 要 构建管流式冲刷腐蚀实验装置研究 酌 预辐照对铍在一号电火花加工油(EDM鄄鄄1)中腐蚀性能的影响,研究铍试样质 量变化,进行表面形貌及成分分析. 结果表明,铍在 EDM鄄鄄1 管流冲刷条件下受冲刷腐蚀和化学腐蚀的共同作用,前者主要受 试样表面形态影响,后者主要受 酌 预辐照剂量、杂质元素、EDM鄄鄄1 中含硫有机物等的影响. 辐照前后,试样质量均呈现先减 小、后增大、再减小趋势,腐蚀速率基本随辐照剂量的升高而增大. 酌 预辐照促进了铍试样在 EDM鄄鄄1 中点蚀核和蚀孔的产生, 腐蚀 2880 h 后,未接受预辐照试样仅产生较为明显点蚀核,而接受 200 和 100 kGy 预辐照试样中的部分点蚀核发展成为蚀孔, 前者直径约为后者 2 倍. 点蚀核和蚀孔区域出现 Al、Si、Fe、Cr、Ti 等杂质元素及 S 元素,杂质元素为诱导产生点蚀的重要因 素,含 S 有机物发生化学反应分别生成物理吸附和化学吸附于蚀孔内部的 SO2和 SOx,促进蚀孔的形成及扩展. 关键词 铍; 酌 辐照; 腐蚀; 点蚀 分类号 TG146郾 2 收稿日期: 2018鄄鄄07鄄鄄06 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(11875003);国家重点研发计划重点专项资助项目(2016YFC0802905) Corrosion of beryllium in EDM鄄鄄1 fluid after 酌 pre鄄irradiation ZHENG Li鄄fang 1) 苣 , HUANG Jun鄄zhong 1) , WANG Xiao鄄gang 1) , JIANG Zhu 2) , DING Yu鄄long 2) 1) School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) School of Chemical Engineering, University of Birmingham, Birmingham B15 2TT, UK 苣Corresponding author, E鄄mail: zhenglifang@ ustb. edu. cn ABSTRACT Beryllium is one of the most important materials in particle physics and nuclear physics experiments. Among these ap鄄 plications, it is used as the material in particle collision tubes, such as the beam pipe in the operational Beijing Electron and Positron Collider (BEPC II) and in the Circular Electron Positron Collider (CEPC) currently in the planning stage. High鄄speed particles pro鄄 duce large amounts of 酌 irradiation and impose a heat load on the beam pipe. The beam pipe must be cooled by the scouring fluid to maintain a stable temperature for particle detection; this cooling process will induce fluid erosion of the beam pipe. The corrosion prop鄄 erties of materials in contact with the oil No. 1 for electric discharge machining (EDM鄄鄄1) fluid under irradiation are not yet known. A device for testing pipeline corrosion was built to study the corrosion of beryllium in EDM鄄鄄1 fluid after 酌 pre鄄irradiation. The mass of the sample was measured by an electronic balance, and the surface morphologies and composition were examined by scanning electron mi鄄 croscopy (SEM), X鄄ray energy dispersive spectroscopy ( EDS), X鄄ray photoelectron spectroscopy ( XPS), and X鄄ray diffraction (XRD). The results show that the corrosion of beryllium in EDM鄄鄄1 is affected by two corrosion mechanisms: erosion and chemical corrosion. Erosion is mainly influenced by the surface morphology of the sample, whereas the chemical corrosion is mainly influenced by the dose of 酌 irradiation, impurity elements in the sample, and organic sulfides in EDM鄄鄄1. Measurements of the sample before and after irradiation reveal that the mass decreases, then increases, and then decreases again under the combined effects of the two kinds of

郑莉芳等：Y预辐照对管流冲刷条件下铍在EDM-1中腐蚀性能的影响 ·1519· corrosion.The corrosion rate increases substantially with increasing radiation dose,and y pre-irradiation promotes pitting nucleation and the formation of pitting holes in beryllium in EDM-1.After 2880h of corrosion,the sample not subjected to pre-irradiation exhibits only obvious pitting nuclei,whereas some of the pitting nuclei on the sample subjected to 200 and 100 kGy of pre-irradiation develop pitting holes;the diameter of the pitting holes in the former case is approximately twice that of the pitting holes in the latter case.The larger the radiation dose,the earlier the pitting occurs and the larger the diameter of the corrosion holes.Impurity elements (e.g.,Al, Si,Fe,Cr,and Ti)and S appear in the pitting nuclei and pitting holes.The impurity elements in the beryllium samples are important factors to induce pitting.The chemical reactions of organo-sulfur compounds produce SO and SO,(SO,SO3,and SO)in the pitting holes by physical and chemical adsorption,which promotes the formation and expansion of pitting. KEY WORDS beryllium;y irradiation;corrosion:pitting 铍具有密度小、熔点高、热中子吸收率低而散射 的人身安全造成威胁.面对世界粒子物理研究领域 截面小等优点[)，被广泛应用于粒子物理、航空航 的激烈竞争，我国正在谋划建造亮度更高的环形正 天、战略核能和惯性导航等领域].在粒子物理研 负电子对撞机(CEPC)[B],CEPC中将会有多个铍制 究领域，世界各国均选用铍作为其粒子对撞管一 作的束流管.更高的亮度意味着正负电子对撞时将 束流管的主要制作材料，如新一代北京正负电子对 对铍束流管产生更多的γ辐照，同时相伴而生有更 撞机BEPCⅡ3)]、日本高能加速器的探测器 多热负荷，须有冷却介质对铍束流管进行冲刷冷却， BELE)等.高速运行粒子将对铍束流管产生大量 同时，更高亮度的CEP℃为了降低对撞区物质量，铍 的Y辐照及大量热负荷，长时间、高剂量的辐照会 束流管壁厚将比0.6mm更小.辐照环境下，受流动 使金属产生微观晶体结构缺陷甚至宏观性能变 EDM-1长期冲刷腐蚀后的薄壁被束流管是否会出 迁5-6)，同时，为保证束流管外围探测器的正常粒子现壁面腐蚀、壁厚减薄、强度削弱等缺陷，甚至是否 探测，须有冷却介质对铍束流管进行冷却以实现其 会导致束流管局部腐蚀穿孔泄露或管道承压能力下 外壁温度的稳定)，而冷却介质有可能对铍造成 降、破裂等事故，这将关系到现有BEPCⅡ的正常运 腐蚀. 行和未来CEP℃的安全建设，因此，研究辐照作用下 国内外学者对辐照条件下金属铍的材料性能和 铍在EDM-1管流冲刷条件下的腐蚀性能极为 微观结构变化进行研究，Beeston等[)对中子辐照后 必要 铍的强度和延展性进行研究，发现与未辐照样品相 本文针对铍在BEP℃Ⅱ高能物理实验中的辐照 比，经温度为75℃、注量为2.6×105m-2的中子辐 剂量及未来CEP℃的建设，对铍试样进行100和200 照后，铍的压缩强度增大了约4倍、延展性降低了约kGy的y预辐照，利用管流式实验装置4)]模拟冷却 75%.粟敏等]对中子辐照后的铍构件应力进行研 介质对铍束流管的实际冲刷，研究铍试样的质量、微 究，建立了快中子注入量与热膨胀率、温度之间的关 观形貌及表面成分等变化规律，探索γ预辐照对管 系，通过仿真和实验发现中子辐照使铍构件的内应 流冲刷条件下铍在EDM-1中腐蚀性能的影响. 力明显增大.Zhang等[o]对嬗变产生的H、He等元 素在铍固体内的扩散行为进行研究，发现多个H或 1实验 H原子倾向于在空位处捕获，为空位型缺陷促进气 1.1试样与腐蚀介质 泡形成提供了理论依据. 实验材料为粉末冶金态铍片，执行标准为 我国现运行BEP℃Ⅱ束流管的最小壁厚为0.6 YS41一1992，密度为1.85g·cm-3,化学成分如表1 mm,冷却介质为具有较高比热容和导热系数的一号 所示 电火花加工油(EDM-1),束流管将伴随BEPCⅡ 表1粉末冶金态铍化学成分（质量分数） 继续至少服役十多年，已有研究发现，辐照促进了铍 Table 1 Chemical composition of powder beryllium% 在动态EDM-1中的腐蚀，且不同类型的辐照产生 Fe C Al Cr Si Ti Be 的腐蚀效果不尽相同].日本BELLE第三代铍束 0.6500.1500.0500.0130.0290.0210.021余量 流管的冷却介质为氨气，由于缺少铍受氦气冲刷腐 蚀后适用性和耐久性的研究，曾出现氦气从铍束流 根据《B/T7901一1999金属材料实验室均匀 管冷却通道泄露的现象，最终导致BELLE的停 腐蚀全浸实验方法标准》，在保证最小腐蚀面积的 机山，不仅造成了巨大的经济损失，也对研究人员 基础上设计试样尺寸为27mm×20mm×1mm.试

郑莉芳等: 酌 预辐照对管流冲刷条件下铍在 EDM鄄鄄1 中腐蚀性能的影响 corrosion. The corrosion rate increases substantially with increasing radiation dose, and 酌 pre鄄irradiation promotes pitting nucleation and the formation of pitting holes in beryllium in EDM鄄鄄1. After 2880 h of corrosion, the sample not subjected to pre鄄irradiation exhibits only obvious pitting nuclei, whereas some of the pitting nuclei on the sample subjected to 200 and 100 kGy of pre鄄irradiation develop pitting holes; the diameter of the pitting holes in the former case is approximately twice that of the pitting holes in the latter case. The larger the radiation dose, the earlier the pitting occurs and the larger the diameter of the corrosion holes. Impurity elements (e. g. , Al, Si, Fe, Cr, and Ti) and S appear in the pitting nuclei and pitting holes. The impurity elements in the beryllium samples are important factors to induce pitting. The chemical reactions of organo鄄sulfur compounds produce SO2 and SOx(SO2 , SO3 , and SO4 ) in the pitting holes by physical and chemical adsorption, which promotes the formation and expansion of pitting. KEY WORDS beryllium; 酌 irradiation; corrosion; pitting 铍具有密度小、熔点高、热中子吸收率低而散射 截面小等优点[1] ,被广泛应用于粒子物理、航空航 天、战略核能和惯性导航等领域[2] . 在粒子物理研 究领域,世界各国均选用铍作为其粒子对撞管——— 束流管的主要制作材料,如新一代北京正负电子对 撞 机 BEPC II [3] 、 日 本 高 能 加 速 器 的 探 测 器 BELLE [4]等. 高速运行粒子将对铍束流管产生大量 的 酌 辐照及大量热负荷,长时间、高剂量的辐照会 使金属产生微观晶体结构缺陷甚至宏观性能变 迁[5鄄鄄6] ,同时,为保证束流管外围探测器的正常粒子 探测,须有冷却介质对铍束流管进行冷却以实现其 外壁温度的稳定[7] ,而冷却介质有可能对铍造成 腐蚀. 国内外学者对辐照条件下金属铍的材料性能和 微观结构变化进行研究,Beeston 等[8]对中子辐照后 铍的强度和延展性进行研究,发现与未辐照样品相 比,经温度为 75 益 、注量为 2郾 6 伊 10 25 m - 2的中子辐 照后,铍的压缩强度增大了约 4 倍、延展性降低了约 75% . 粟敏等[9]对中子辐照后的铍构件应力进行研 究,建立了快中子注入量与热膨胀率、温度之间的关 系,通过仿真和实验发现中子辐照使铍构件的内应 力明显增大. Zhang 等[10]对嬗变产生的 H、He 等元 素在铍固体内的扩散行为进行研究,发现多个 H 或 He 原子倾向于在空位处捕获,为空位型缺陷促进气 泡形成提供了理论依据. 我国现运行 BEPC II 束流管的最小壁厚为 0郾 6 mm,冷却介质为具有较高比热容和导热系数的一号 电火花加工油(EDM鄄鄄1) [11] ,束流管将伴随 BEPC II 继续至少服役十多年,已有研究发现,辐照促进了铍 在动态 EDM鄄鄄 1 中的腐蚀,且不同类型的辐照产生 的腐蚀效果不尽相同[12] . 日本 BELLE 第三代铍束 流管的冷却介质为氦气,由于缺少铍受氦气冲刷腐 蚀后适用性和耐久性的研究,曾出现氦气从铍束流 管冷却通道泄露的现象,最终导致 BELLE 的 停 机[11] ,不仅造成了巨大的经济损失,也对研究人员 的人身安全造成威胁. 面对世界粒子物理研究领域 的激烈竞争,我国正在谋划建造亮度更高的环形正 负电子对撞机(CEPC) [13] ,CEPC 中将会有多个铍制 作的束流管. 更高的亮度意味着正负电子对撞时将 对铍束流管产生更多的 酌 辐照,同时相伴而生有更 多热负荷,须有冷却介质对铍束流管进行冲刷冷却, 同时,更高亮度的 CEPC 为了降低对撞区物质量,铍 束流管壁厚将比 0郾 6 mm 更小. 辐照环境下,受流动 EDM鄄鄄1 长期冲刷腐蚀后的薄壁铍束流管是否会出 现壁面腐蚀、壁厚减薄、强度削弱等缺陷,甚至是否 会导致束流管局部腐蚀穿孔泄露或管道承压能力下 降、破裂等事故,这将关系到现有 BEPC II 的正常运 行和未来 CEPC 的安全建设,因此,研究辐照作用下 铍在 EDM鄄鄄 1 管 流 冲 刷 条 件 下 的 腐 蚀 性 能 极 为 必要. 本文针对铍在 BEPC II 高能物理实验中的辐照 剂量及未来 CEPC 的建设,对铍试样进行 100 和 200 kGy 的 酌 预辐照,利用管流式实验装置[14] 模拟冷却 介质对铍束流管的实际冲刷,研究铍试样的质量、微 观形貌及表面成分等变化规律,探索 酌 预辐照对管 流冲刷条件下铍在 EDM鄄鄄1 中腐蚀性能的影响. 1 实验 1郾 1 试样与腐蚀介质 实验材 料 为 粉 末 冶 金 态 铍 片, 执 行 标 准 为 YS41—1992,密度为 1郾 85 g·cm - 3 ,化学成分如表 1 所示. 表 1 粉末冶金态铍化学成分(质量分数) Table 1 Chemical composition of powder beryllium % O Fe C Al Cr Si Ti Be 0郾 650 0郾 150 0郾 050 0郾 013 0郾 029 0郾 021 0郾 021 余量 根据《 JB / T7901 ― 1999 金属材料实验室均匀 腐蚀全浸实验方法标准》,在保证最小腐蚀面积的 基础上设计试样尺寸为 27 mm 伊 20 mm 伊 1 mm. 试 ·1519·

·1520· 工程科学学报，第40卷，第12期 样分为4组，每组4个试样，其中A组不接受辐照， 1.3实验结果表征 B组接受剂量为100kGy的y辐照，C组接受剂量为 根据《JB/T7901一1999金属材料实验室均匀 200kGy的y辐照，A、B、C三组均进行腐蚀实验，0 腐蚀全浸实验方法》，确定铍试样的腐蚀实验周期 组不接受辐照且不进行腐蚀实验.γ辐照在中国原 为1440h,即每1440h后将铍试样取出，丙酮清洗3 子能科学研究院进行，采用C0y射线源，空气 次并用吹风机吹干.利用精度为±0.1mg的Sartori- 氛围. us分析天平进行质量测量.采用日本岛津公司多功 腐蚀介质为东莞市晶索润滑科技有限公司生产 能电子能谱仪AXIS ULTRA DLD进行X射线光电 的EDM-1,石油化工科学研究院分别采用SH/T 子能谱分析，X射线源采用单色化A!靶，能谱扫描 0253一1992方法和RIPP分析法检测S和Cl含量， 范围为0~1400eV,宽幅扫描间距为1eV,窄幅扫描 二者每千克含量均小于5mg. 间距为0.1eV,能谱采用以样品表面污染碳的C1s 1.2腐蚀实验装置 结合能(285.1eV)定标.利用ZEISS ULTRA55场 为避免不同组试样之间的相互干扰，将A、B、C 发射扫描电镜进行试样的微观形貌观察和X光微 区分析实验，对其微观形貌进行观察，对微区元素进 三组试样分别固定于三套管流式腐蚀实验装置中. 行分析.采用日本玛坷科学仪器公司生产的M21X 如图1(a)所示为实验装置实物，根据BEPCⅡ中 超大功率X射线衍射仪进行X射线衍射分析，Cu EDM-1对铍束流管进行冷却的实际工况，调节闸阀 靶，石墨单色器，电压40kV,电流30mA,扫描速率 0和闸阀1的开合度使流经实验管道中的腐蚀介质 为0.02°s-1,扫描角度范围为20°~90°. EDM-1流速为0.8m·s-1,PID调节恒温加热器功 率使腐蚀介质的温度为45℃.实验管截面如图1 2结果与分析 (b)所示，通流面积为21mm×20mm,试样两端分别 2.1试样质量变化 固定于深度为3mm的上下两个支撑橡胶卡槽中，支 在每个实验周期对每个试样质量测量6次取平 撑橡胶固定于不锈钢端盖内，支撑橡胶将铍试样与 均值，试样测量数据误差处理时将置信度设为 不锈钢实验管道隔开，避免二者发生电化学反应. 99.73%,质量测量值最大置信区间为±0.000134g. EDM-1从实验管道一端流入，从另一端流出，实现 如图2所示，以试样腐蚀后质量与腐蚀前质量 对试样表面的连续冲刷腐蚀，试样并列放置并用有 的差值为纵坐标、时间为横坐标，作铍试样平均质量 机玻璃隔板将其分开，以保证流经各试样表面的流 变化值随腐蚀时间的变化曲线，可以看出，辐照前 场基本相同，减小试样表面流速不均造成的实验误 后，各组试样的平均质量变化值随腐蚀时间的延续 差，同时避免不同试样间的相互干扰. 均呈现先减小、后增大、再减小的趋势，但不同时期 质量变化值大小不尽相同，在腐蚀实验初期(0~ 1440h),受100kGy预辐照的B组质量降幅大于未 辐照的A组和受200kGy预辐照的C组，且C组质 量降幅略小于A组，在腐蚀实验中期(1440~4320 h),3组试样质量相对腐蚀前质量均增加，C组的质 量增幅略微大于B组，B组的增幅明显大于A组， 在腐蚀实验后期(4320~7200h),C组的降幅最为 明显，B组次之，A组最小，且A、C组试样质量相对 未腐蚀前质量有微弱增加，B组略有减小.由此可 见，腐蚀实验中、后期单位时间内质量变化值基本随 试样 隔板 支撑橡胶 辐照剂量的升高而增大 金属材料在流动介质中的腐蚀可分为冲刷腐蚀 和化学腐蚀[1)，本实验中所用试样未经打磨和抛 光，表面有微小棱角，在腐蚀实验初期，一方面，在化 图1腐蚀实验装置.(a)实验装置实物：(b)实验管截面 学腐蚀作用下试样表面产生腐蚀产物，使试样质量 Fig.1 Corrosion apparatus:(a)factual picture;(b)section of ex- 增加，另一方面在冲刷腐蚀作用下试样表面的微小 perimental pipeline 棱角被大量冲刷掉，使试样质量减小，在二者的共同

工程科学学报,第 40 卷,第 12 期 样分为 4 组,每组 4 个试样,其中 A 组不接受辐照, B 组接受剂量为 100 kGy 的 酌 辐照,C 组接受剂量为 200 kGy 的 酌 辐照,A、B、C 三组均进行腐蚀实验,O 组不接受辐照且不进行腐蚀实验. 酌 辐照在中国原 子能科学研究院进行, 采用60 Co 酌 射线源, 空气 氛围. 腐蚀介质为东莞市晶索润滑科技有限公司生产 的 EDM鄄鄄 1,石油化工科学研究院分别采用 SH / T 0253 ― 1992 方法和 RIPP 分析法检测 S 和 Cl 含量, 二者每千克含量均小于 5 mg. 1郾 2 腐蚀实验装置 为避免不同组试样之间的相互干扰,将 A、B、C 三组试样分别固定于三套管流式腐蚀实验装置中. 如图 1(a) 所示为实验装置实物,根据 BEPC 域中 EDM鄄鄄1 对铍束流管进行冷却的实际工况,调节闸阀 0 和闸阀 1 的开合度使流经实验管道中的腐蚀介质 EDM鄄鄄1 流速为 0郾 8 m·s - 1 ,PID 调节恒温加热器功 率使腐蚀介质的温度为 45 益 . 实验管截面如图 1 (b)所示,通流面积为 21 mm 伊 20 mm,试样两端分别 固定于深度为 3 mm 的上下两个支撑橡胶卡槽中,支 撑橡胶固定于不锈钢端盖内,支撑橡胶将铍试样与 不锈钢实验管道隔开,避免二者发生电化学反应. EDM鄄鄄1 从实验管道一端流入,从另一端流出,实现 对试样表面的连续冲刷腐蚀,试样并列放置并用有 机玻璃隔板将其分开,以保证流经各试样表面的流 场基本相同,减小试样表面流速不均造成的实验误 差,同时避免不同试样间的相互干扰. 图 1 腐蚀实验装置. (a)实验装置实物;(b)实验管截面 Fig. 1 Corrosion apparatus: (a) factual picture; (b) section of ex鄄 perimental pipeline 1郾 3 实验结果表征 根据《JB / T 7901 ― 1999 金属材料实验室均匀 腐蚀全浸实验方法》,确定铍试样的腐蚀实验周期 为 1440 h,即每 1440 h 后将铍试样取出,丙酮清洗 3 次并用吹风机吹干. 利用精度为 依 0郾 1 mg 的 Sartori鄄 us 分析天平进行质量测量. 采用日本岛津公司多功 能电子能谱仪 AXIS ULTRA DLD 进行 X 射线光电 子能谱分析,X 射线源采用单色化 Al 靶,能谱扫描 范围为 0 ~ 1400 eV,宽幅扫描间距为 1 eV,窄幅扫描 间距为 0郾 1 eV,能谱采用以样品表面污染碳的 C 1s 结合能(285郾 1 eV)定标. 利用 ZEISS ULTRA 55 场 发射扫描电镜进行试样的微观形貌观察和 X 光微 区分析实验,对其微观形貌进行观察,对微区元素进 行分析. 采用日本玛坷科学仪器公司生产的 M21X 超大功率 X 射线衍射仪进行 X 射线衍射分析,Cu 靶,石墨单色器,电压 40 kV,电流 30 mA,扫描速率 为 0郾 02毅·s - 1 ,扫描角度范围为 20毅 ~ 90毅. 2 结果与分析 2郾 1 试样质量变化 在每个实验周期对每个试样质量测量 6 次取平 均值, 试样测量数据误差处理时将置信度设为 99郾 73% ,质量测量值最大置信区间为 依 0郾 000134 g. 如图 2 所示,以试样腐蚀后质量与腐蚀前质量 的差值为纵坐标、时间为横坐标,作铍试样平均质量 变化值随腐蚀时间的变化曲线,可以看出,辐照前 后,各组试样的平均质量变化值随腐蚀时间的延续 均呈现先减小、后增大、再减小的趋势,但不同时期 质量变化值大小不尽相同,在腐蚀实验初期(0 ~ 1440 h),受 100 kGy 预辐照的 B 组质量降幅大于未 辐照的 A 组和受 200 kGy 预辐照的 C 组,且 C 组质 量降幅略小于 A 组,在腐蚀实验中期(1440 ~ 4320 h),3 组试样质量相对腐蚀前质量均增加,C 组的质 量增幅略微大于 B 组,B 组的增幅明显大于 A 组, 在腐蚀实验后期(4320 ~ 7200 h),C 组的降幅最为 明显,B 组次之,A 组最小,且 A、C 组试样质量相对 未腐蚀前质量有微弱增加,B 组略有减小. 由此可 见,腐蚀实验中、后期单位时间内质量变化值基本随 辐照剂量的升高而增大. 金属材料在流动介质中的腐蚀可分为冲刷腐蚀 和化学腐蚀[15] ,本实验中所用试样未经打磨和抛 光,表面有微小棱角,在腐蚀实验初期,一方面,在化 学腐蚀作用下试样表面产生腐蚀产物,使试样质量 增加,另一方面在冲刷腐蚀作用下试样表面的微小 棱角被大量冲刷掉,使试样质量减小,在二者的共同 ·1520·

郑莉芳等：Y预辐照对管流冲刷条件下铍在EDM-1中腐蚀性能的影响 ·1521· 1.0 s 0.5 0kGy.0 h)o 01s C.ls A组0kGy,7200h)0 C KLI 量一A组0kGy） 路燃 ·-B组(100kCy) +一C组(200kGy) B组(100kGy,7200h) 1440288043205760 7200 C KLI KL3 腐蚀时间h 图2铍试样平均质量变化值随腐蚀时间的变化曲线 )18 C组(200kGy.7200h) Fig.2 Variation curves of the average mass change of beryllium sam- Si 2 C KLI n2p2 ples with corrosion time 作用过程中，冲刷腐蚀略占优势，导致试样质量总体 14001200 1000 800600 400200 能量eV 下降.在腐蚀实验中期，微小棱角被冲刷腐蚀掉后， 图3试样表面的X射线光电子能谱全谱分析 露出试样内部铍单质与EDM-1产生反应，生成更 Fig.3 XPS analysis of the surface of beryllium sample 多附着于其上的腐蚀产物，此时，化学腐蚀强于冲刷 腐蚀，导致试样质量变大.在腐蚀实验后期，铍试样 一步的X射线光电子能谱精细谱分析.从图4(b) 表面被腐蚀产物覆盖，化学腐蚀速率逐渐减小并趋 Be1s的X射线光电子能谱精细谱图可以看出，每 于稳定，冲刷腐蚀强于化学腐蚀，试样质量再次呈现 组试样中均仅有f、g两个峰，其中f峰与B0中 出下降趋势 Bels113.8eV的峰吻合，g峰与Be单质中Be1s 2.2试样表面X射线光电子能谱分析 111.7eV的峰吻合，由此可知f峰对应的物质为 图3为腐蚀试验进行7200h后铍试样表面的X Be0,g峰对应的物质为Be单质，据此可推断，试样 射线光电子能谱全谱图，可以看出，无论是否接受预 表面的铍发生氧化反应生成的化合物仅有BeO. 辐照，受EDM-1腐蚀的A、B、C3组试样均出现了 2.3试样表面微观形貌观察和X光微区分析 Be、O、C、Ca、Si、S元素，而未受EDM-1腐蚀的O组 图5为腐蚀实验进行2880h后铍试样表面的微 试样中仅出现Be、O、C、Ca、Si元素，未出现S元素. 观形貌图.可以看出，未接受辐照的A组试样（图5 可以推测，A、B、C三组试样中的S元素来自腐蚀介 (a))表面出现有凸起的点蚀核（红色圈中），受100 质EDM-1,EDM-1中的S与铍试样发生了化学反 kGy预辐照的B组试样（图5(b))中除了有点蚀核 应，含S腐蚀产物已吸附于试样表面. 外，还出现了直径为1~2μm的蚀孔（黄色圈中）， 为获取试样表面含S腐蚀产物的成分，对S元 受200kGy预辐照的C组试样（图5(c)表面产生 素X射线光电子能谱精细谱进行分析，图4(a)为试 的蚀孔直径更大(3~4μm),约为B组的2倍.由此 样表面S2p的X射线光电子能谱精细谱图，可以看 可见，辐照剂量对金属铍在EDM-1中点蚀的发生 出，不同组试样中均有a、b、c、d、e5个峰，峰位分别 具有促进作用，剂量越高，点蚀程度越严重，蚀孔出 为170.4、169.3、168.4、164.6、162.6eV,结合能在 现时间越早，直径越大 169eV附近及以上的a峰对应物质为物理吸附的 为探究，点蚀孔的产生过程，将图5(c)中的M、N S02,结合能在164~169eV范围内的b、c、d峰对应 点蚀区域进一步放大，可以看出，位置1为处于孕育 物质为化学吸附的S0,如S02、S0,、S0,6,e峰对 期的点蚀核正在材料内部形成，该位置材料明显高 应物为含硫有机物.可以看出，不同剂量辐照后的 出试样平面，位置2处的试样表面开始破裂，露出内 试样经腐蚀后，其表面生成的硫化物并无差异，由此 部的点蚀核，位置3处的点蚀核体积明显变大，且点 可以推测，EDM-1中的含硫有机物对各组铍试样的 蚀核周围的破裂程度加剧，位置4处的点蚀核已脱 化学反应机理相同，均生成硫氧化物S02、S03、S04, 离试样表面并产生形状不规则的蚀孔.金属材料的 并分别通过范德华力形成的物理吸附键和价键力形 夹杂及晶体结构缺陷是引起点蚀的常见原因7-18】， 成的化学吸附键吸附于试样表面.为探究腐蚀过程 且形成蚀孔的大小、形状及分布无明显规律，由此可 中Be元素的化学反应，对试样表面Be元素进行进 推断，该铍试样中可能存在结构缺陷或夹杂

郑莉芳等: 酌 预辐照对管流冲刷条件下铍在 EDM鄄鄄1 中腐蚀性能的影响 图 2 铍试样平均质量变化值随腐蚀时间的变化曲线 Fig. 2 Variation curves of the average mass change of beryllium sam鄄 ples with corrosion time 作用过程中,冲刷腐蚀略占优势,导致试样质量总体 下降. 在腐蚀实验中期,微小棱角被冲刷腐蚀掉后, 露出试样内部铍单质与 EDM鄄鄄 1 产生反应,生成更 多附着于其上的腐蚀产物,此时,化学腐蚀强于冲刷 腐蚀,导致试样质量变大. 在腐蚀实验后期,铍试样 表面被腐蚀产物覆盖,化学腐蚀速率逐渐减小并趋 于稳定,冲刷腐蚀强于化学腐蚀,试样质量再次呈现 出下降趋势. 2郾 2 试样表面 X 射线光电子能谱分析 图 3 为腐蚀试验进行 7200 h 后铍试样表面的 X 射线光电子能谱全谱图,可以看出,无论是否接受预 辐照,受 EDM鄄鄄1 腐蚀的 A、B、C 3 组试样均出现了 Be、O、C、Ca、Si、S 元素,而未受 EDM鄄鄄1 腐蚀的 O 组 试样中仅出现 Be、O、C、Ca、Si 元素,未出现 S 元素. 可以推测,A、B、C 三组试样中的 S 元素来自腐蚀介 质 EDM鄄鄄1,EDM鄄鄄1 中的 S 与铍试样发生了化学反 应,含 S 腐蚀产物已吸附于试样表面. 为获取试样表面含 S 腐蚀产物的成分,对 S 元 素 X 射线光电子能谱精细谱进行分析,图 4(a)为试 样表面 S 2p 的 X 射线光电子能谱精细谱图,可以看 出,不同组试样中均有 a、b、c、d、e 5 个峰,峰位分别 为 170郾 4、169郾 3、168郾 4、164郾 6、162郾 6 eV,结合能在 169 eV 附近及以上的 a 峰对应物质为物理吸附的 SO2 ,结合能在 164 ~ 169 eV 范围内的 b、c、d 峰对应 物质为化学吸附的 SOx,如 SO2 、SO3 、SO4 [16] ,e 峰对 应物为含硫有机物. 可以看出,不同剂量辐照后的 试样经腐蚀后,其表面生成的硫化物并无差异,由此 可以推测,EDM鄄鄄1 中的含硫有机物对各组铍试样的 化学反应机理相同,均生成硫氧化物 SO2 、SO3 、SO4 , 并分别通过范德华力形成的物理吸附键和价键力形 成的化学吸附键吸附于试样表面. 为探究腐蚀过程 中 Be 元素的化学反应,对试样表面 Be 元素进行进 图 3 试样表面的 X 射线光电子能谱全谱分析 Fig. 3 XPS analysis of the surface of beryllium sample 一步的 X 射线光电子能谱精细谱分析. 从图 4( b) Be 1s 的 X 射线光电子能谱精细谱图可以看出,每 组试样中均仅有 f、g 两个峰,其中 f 峰与 BeO 中 Be1s 113郾 8 eV 的峰吻合,g 峰与 Be 单质中 Be 1s 111郾 7 eV 的峰吻合,由此可知 f 峰对应的物质为 BeO,g 峰对应的物质为 Be 单质,据此可推断,试样 表面的铍发生氧化反应生成的化合物仅有 BeO. 2郾 3 试样表面微观形貌观察和 X 光微区分析 图 5 为腐蚀实验进行 2880 h 后铍试样表面的微 观形貌图. 可以看出,未接受辐照的 A 组试样(图 5 (a))表面出现有凸起的点蚀核(红色圈中),受 100 kGy 预辐照的 B 组试样(图 5(b))中除了有点蚀核 外,还出现了直径为 1 ~ 2 滋m 的蚀孔(黄色圈中), 受 200 kGy 预辐照的 C 组试样(图 5(c))表面产生 的蚀孔直径更大(3 ~ 4 滋m),约为 B 组的 2 倍. 由此 可见,辐照剂量对金属铍在 EDM鄄鄄 1 中点蚀的发生 具有促进作用,剂量越高,点蚀程度越严重,蚀孔出 现时间越早,直径越大. 为探究点蚀孔的产生过程,将图5(c)中的 M、N 点蚀区域进一步放大,可以看出,位置 1 为处于孕育 期的点蚀核正在材料内部形成,该位置材料明显高 出试样平面,位置 2 处的试样表面开始破裂,露出内 部的点蚀核,位置 3 处的点蚀核体积明显变大,且点 蚀核周围的破裂程度加剧,位置 4 处的点蚀核已脱 离试样表面并产生形状不规则的蚀孔. 金属材料的 夹杂及晶体结构缺陷是引起点蚀的常见原因[17鄄鄄18] , 且形成蚀孔的大小、形状及分布无明显规律,由此可 推断,该铍试样中可能存在结构缺陷或夹杂. ·1521·

·1522. 工程科学学报，第40卷，第12期 (b) A组0kGy O组0kGy,0h) 7200) A组(0kGy,7200h) B组(100kG 7200h) 圣 B组(100kGy, 7200h) C组(200kGy, 7200h) C组(100kGy. 7200h) 176174172170168166164162160 120118116114112110108106 能量leV 能量eV 图4X射线光电子能谱精细谱及拟合曲线.(a)S2p;(b)Be1s Fig.4 XPS narrow analysis and fitting curve:(a)S 2p;(b)Be 1s 点蚀核 30m 30m 30μm 10m 104m 图5腐蚀2880h后铍试样表面微观形貌.(a)未辐照：(b)100kGy预辐照：(c)200kGy预辐照 Fig.5 Surface morphologies of beryllium sample after 2880-h corrosion:(a)devoid of irradiation;(b)100 kGy pre-irradiation;(e)200kGy pre- irradiation 为进一步研究点蚀的形成机理，在200kGy预 元素仅包括C、0,蚀孔形成区位置c、d的元素包括 辐照和EDM-1腐蚀7200h后的试样表面（图6 有0、Al、Si、Fe、Cr、Ti、Ca、S等，其中C、0、Al、Si、Fe、 (a))选取4个位置a、b、c、d进行元素能谱分析，其 Cr、Ti等元素来源于试样本身，Ca来源于实验环境 中位置a为试样表面的平整区，位置b为点蚀核形 污染，S元素来源于EDM-1,这进一步证明了铍试 成但未破裂区，位置c、d均为蚀孔区，其相应的能谱 样中的点蚀核围绕试样中铍单质周围的杂质元素形 如图6(b)~(e)所示.可以看出，平整区位置a的 成.S元素仅出现在蚀孔区域c和d,并未在平整区

工程科学学报,第 40 卷,第 12 期 图 4 X 射线光电子能谱精细谱及拟合曲线 郾 (a)S 2p;(b)Be 1s Fig. 4 XPS narrow analysis and fitting curve: (a) S 2p; (b) Be 1s 图 5 腐蚀 2880 h 后铍试样表面微观形貌 郾 (a)未辐照;(b)100 kGy 预辐照;(c)200 kGy 预辐照 Fig. 5 Surface morphologies of beryllium sample after 2880鄄h corrosion: (a) devoid of irradiation; (b) 100 kGy pre鄄irradiation; (c) 200 kGy pre鄄 irradiation 为进一步研究点蚀的形成机理,在 200 kGy 预 辐照和 EDM鄄鄄 1 腐蚀 7200 h 后的试样表面( 图 6 (a))选取 4 个位置 a、b、c、d 进行元素能谱分析,其 中位置 a 为试样表面的平整区,位置 b 为点蚀核形 成但未破裂区,位置 c、d 均为蚀孔区,其相应的能谱 如图 6(b) ~ (e)所示. 可以看出,平整区位置 a 的 元素仅包括 C、O,蚀孔形成区位置 c、d 的元素包括 有 O、Al、Si、Fe、Cr、Ti、Ca、S 等,其中 C、O、Al、Si、Fe、 Cr、Ti 等元素来源于试样本身,Ca 来源于实验环境 污染,S 元素来源于 EDM鄄鄄 1,这进一步证明了铍试 样中的点蚀核围绕试样中铍单质周围的杂质元素形 成. S 元素仅出现在蚀孔区域 c 和 d,并未在平整区 ·1522·