HastelloyC-4焊接接頭耐晶間腐蝕性能研究

倪加明,李鑄國,黃 堅,吳毅雄

(上海交通大學上海市激光制造與材料改性重點實驗室,上海200240)

HastelloyC-4焊接接頭耐晶間腐蝕性能研究

倪加明,李鑄國,黃 堅,吳毅雄

(上海交通大學上海市激光制造與材料改性重點實驗室,上海200240)

采用多層多道氬弧焊接 HastelloyC-4材料,通過對比實驗研究焊接接頭和母材的耐晶間腐蝕性能,并通過顯微硬度、金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡、能譜分析表征接頭組織和成分。結果表明:接頭試樣的平均腐蝕速率小于母材試樣,接頭耐晶間腐蝕性能較好。采用Cr含量高配比填充焊絲,同時嚴格控制層間溫度,利用焊接熱循環固溶處理已有焊縫,促進焊縫成分均勻,改善接頭在氧化性介質中耐晶間腐蝕性能。

HastelloyC-4;晶間腐蝕;焊接接頭;固溶處理

Abstract:HastelloyC-4 pipeline was welded by multi-pass arc welding.Contrastive determination of resistance to intergranular corrosion of HastelloyC-4 and its joint was conducted.Microstructure and composition of welding joint were analyzed by using microhardness,optical metallography,scanning electron microscopy(SEM)and energy dispersive spectrum analysis(EDS).The results show that the average of intergranular corrosion velocity of joint samples is smaller than that of base alloy samples.With filler wire including higher Cr component,Cr component of weld metal grain boundary is higher than that of base alloy.And with appropriate energy input,follow pass welding offers solution treatment to former weld metal.Both of them improve resistance property to intergranular corrosion of HastelloyC-4 arc welding joint in oxidizing media.

Key words:HastelloyC-4;intergranular corrosion;welding joint;solid solution treatment

HastelloyC-4是20世紀70年代研發成功的通用型耐蝕哈氏合金,它在還原性和氧化性介質中均能保持鈍化狀態均勻腐蝕,廣泛應用于惡劣腐蝕環境的化工工業管道[1,2]。為保證哈氏合金管道的安全和使用壽命,其焊接可靠性要求較高。由于哈氏合金存在較多的Mo,Cr等抗腐蝕合金成分,焊接凝固過程容易產生偏析[3,4];并且高溫停留時間過長會有拓撲密堆相和碳化物析出,晶界鉻鉬貧化[5];容易導致焊接接頭在許多還原性、氧化性環境中對晶間腐蝕敏感。為滿足使用要求,必須保證合金焊接接頭耐腐蝕性能優于母材。

本工作針對哈氏合金焊接接頭存在的晶間腐蝕問題,進行 HastelloyC-4焊接接頭和原始母材的耐晶間腐蝕性能對比實驗,并通過接頭組織對測定結果加以分析,探討改善哈氏合金焊接接頭耐晶間腐蝕性能的方法與機制。

1 實驗材料和方法

HastelloyC-4材料及填充焊絲成分如表1所示,采用多層多道氬弧焊接,焊接時嚴格控制層間溫度低于250℃,防止過熱。

為了評估焊接接頭在氧化性腐蝕液中的使用壽命,參照 GB/T 15260—94鎳基合金晶間腐蝕實驗方法中的方法A,進行耐晶間腐蝕性能實驗,測定試樣質量損失,計算腐蝕速率。

接頭試樣尺寸為2.94cm×1.95cm×0.59cm,另選取表面狀況相近的母材試樣作對比,試樣尺寸為2.96cm×1.98cm×0.59cm。每隔24h取出試樣,洗凈,干燥 ,稱重,作好記錄。

采用金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡表征焊接接頭組織形貌,采用能譜分析測定接頭焊縫及母材的成分。

表1 H astelloyC-4合金和焊絲的化學成分(質量分數/%)Table 1 Chemical composition of HastelloyC-4 and filler wire(mass fraction/%)

2 實驗結果

2.1 耐晶間腐蝕性能測定

耐晶間腐蝕實驗參照上述方法進行,腐蝕100h后完成,取出試樣,清洗,干燥。觀察焊接接頭試樣腐蝕情況。接頭試樣的焊縫部位明顯凸出,腐蝕狀況比母材部位較輕,如圖1所示,可以明顯看出母材的晶間腐蝕程度要大于焊縫。

圖1 晶間腐蝕試樣表面SEM照片 (a)焊縫蝕坑;(b)母材蝕坑Fig.1 SEM images of welded joint sample after corrosion (a)corrosion pit of weld metal;(b)corrosion pit of base alloy

根據各腐蝕時間段測量的稱重結果,分別計算接頭與母材試樣的質量損失,結果如圖2所示。表明各時間段接頭試樣的質量損失均小于母材試樣,且兩者差距逐步拉大。參照 GB/T 15260—94根據最終質量損失計算腐蝕速率ν,計算公式如下:

圖2 晶間腐蝕時間與質量損失的關系Fig.2 Relation of lost mass and corrosion time

式中:K為常數,8.76×104mm/a;t為暴露的時間,h;A為暴露的面積,cm2;Δm為質量損失,g;ρ為材料密度,g/cm3。所得計算結果:接頭試樣的平均腐蝕速率為5.0319mm/a,母材試樣的平均腐蝕速率為5.7970mm/a。說明焊接接頭的耐晶間腐蝕性能稍優于原始母材。

2.2 顯微硬度分析

測定接頭各區域顯微硬度,測試位置在距焊縫上表面約1.5mm處,顯微硬度曲線如圖3所示。母材平均硬度為 HV229,熱影響區平均硬度為 HV198,出現明顯的軟化現象;焊縫區域顯微硬度分布不甚均勻,由右至左起伏升高,由于多道焊接是從右至左完成,先完成的右邊焊道在后續焊道施焊中受熱軟化,受熱次數越多,軟化越嚴重。

圖3 接頭顯微硬度曲線Fig.3 Microhardness curves of cross-section of welding joint

3 分析與討論

為了進一步分析接頭的各部分耐腐蝕性能差異,采用金相顯微鏡進行接頭組織觀察,接頭顯微組織如圖4所示。可以看出,母材組織主要為單相奧氏體,并有少量析出相黑點分布其上;焊縫組織為成分偏析的單相樹枝狀組織,是焊接過程熔池快速的非平衡凝固所致;熱影響區組織晶粒大小均勻,析出相黑點減少,分析認為是焊接熱影響相當于對它進行固溶處理。溫度稍許升高能使已經析出的拓撲密堆相和碳化物重新溶于基體。同理,多層多道焊接使得已有焊縫在后續焊道的焊接熱循環中進行固溶處理,促進成分均勻,改善耐腐蝕性能。嚴格控制層間溫度,防止熱影響過度,充分利用焊接熱循環等效固溶處理,是提高焊縫耐腐蝕性能的有效方法。

實驗測得焊縫耐晶間腐蝕性能優于母材,考慮到焊縫為成分偏析嚴重的樹枝晶狀組織,說明焊縫枝晶界部分的鉻含量應該比母材高[2]。能譜點掃描分析焊縫和母材成分,所得結果如圖5所示,焊縫枝晶晶界的Cr含量為19.70%(質量分數,下同),高于母材Cr含量14.03%。提高焊絲的鉻含量是改善焊縫組織的耐氧化性晶間腐蝕性能的有效方法。

圖4 接頭顯微組織 (a)母材;(b)焊縫;(c)熔合區;(d)熱影響區Fig.4 Microstructure of welding joint (a)base metal;(b)weld metal;(c)fusion zone;(d)heat affected zone

圖5 EDS能譜成分分析 (a)母材;(b)焊縫Fig.5 EDS analysis of chemical composition of joint (a)base metal;(b)weld metal

圖5 TC4,TA15,TC18鈦合金在典型模鍛溫度下最大變形抗力的比較Fig.5 Comparison of the maxium deformation resistance of TC4,TA15 and TC18 alloys at different typical di-model temperatures

3 結論

(1)提高變形溫度或降低應變速率,可顯著降低TC18鈦合金變形過程中的真應力;與β區相比,α+β兩相區變形抗力對溫度的變化更為敏感。

(2)在α+β區變形時,α相和β相都參與變形,球狀初生α沿形變方向略有拉長,β相沿金屬流動方向形成纖維組織;β相變點以上溫度變形時,β相沿金屬流動方向呈纖維狀分布,在950℃可以觀察到再結晶的等軸β晶粒。

(3)當錘上模鍛(應變速率接近50s-1)時,在各自的鍛造溫度下,TC18鈦合金變形抗力明顯高于 TA15和TC4。

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Resistance Property to Intergranular Corrosion of HastelloyC-4 Welding Joint

NI Jia-ming,LI Zhu-guo,HUANGJian,WU Yi-xiong
(Shanghai Key Laboratory of Materials Laser Processing and Modification, Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

TG401

A

1001-4381(2010)01-0082-03

2008-12-03;

2009-08-08

李紅恩(1969—),女,碩士,主要從事飛機用鈦合金研究,聯系地址:沈陽市725信箱306室(110035),E-mail:lhongen@126.com