X65/2205雙金屬爆炸復合板界面微觀結構及性能研究

何小東，劉養勤，朱麗霞，李 娜，張雪琴

(中國石油集團石油管工程技術研究院 陜西 西安 710077)

X65/2205雙金屬爆炸復合板界面微觀結構及性能研究

何小東，劉養勤，朱麗霞，李 娜，張雪琴

(中國石油集團石油管工程技術研究院 陜西 西安 710077)

采用力學測試、金相分析、掃描電鏡和能譜分析的方法，研究了X65管線鋼和2205雙相不銹鋼雙金屬爆炸復合板界面微觀結構及其性能。結果表明，X65/2205復合板的屈服強度和抗拉強度均高于X65基體，斷后伸長率基本一致，而夏比沖擊吸收能低于X65基體和不銹鋼復合層。復合層結合界面呈波浪狀“咬合”形貌，界面原子相互擴散，其剪切強度較高。

X65/2205復合板；界面；微觀結構；結合性能；爆炸焊接

0 引 言

為了滿足特殊服役條件要求，同時又獲得良好的經濟效益，人們研究開發了由兩種或兩種以上材料構成的復合材料，雙金屬復合管就是其中典型的產品之一。它采用兩種不同金屬材料構成，常見的是以碳素鋼管或合金鋼管為基管，在其內表面內覆或內襯一定厚度的不銹鋼、鎳基合金等耐腐蝕的合金材料，既保證了管材的強度要求，又滿足了特殊的工況要求，制造成本也遠低于采用單一的耐蝕合金材料，從而在石油、化工、核電、輕工和工程機械等領域得到應用[1-3]，并有著廣闊的發展前景。

目前，雙金屬復合管的研究方向主要圍繞著復合管制造工藝及裝備、復合管的焊接、復合管界面結構及測試等幾個領域開展。王永芳、王純、何小東等人介紹了復合管的制造[4-6]，其技術包括液壓法、熱擠壓法、爆炸焊接法、復合板成型焊接法、粉末冶金法、離心鑄造或離心鋁熱法、噴射成型法、堆焊法等。文獻[7]建立了復合管液壓成型的理論模型，通過試驗和分析得出了液壓成型力與復合管結合強度的經驗公式，為復合管液壓成型工藝提供了生產指導。呂世雄、王東紅等人研究了316L不銹鋼與碳鋼的雙金屬復合管對接焊接工藝和接頭組織性能[8,9]。文獻[10]研究果表明，內襯與基管間貼合性能差造成的徑向應力和焊縫橫向應力，導致了雙金屬復合管環焊縫開裂失效。因此，雙金屬復合材料的界面微觀結構及質量直接影響到其使用壽命和服役可靠性，是評價其復合性能的重要指標，也是雙金屬復合材料研究領域的重要內容[11-13]。

由于2205雙相不銹鋼具有優良的耐氯化物應力腐蝕、點蝕、疲勞磨損腐蝕性能等耐腐性能，并具有優越的力學性能和可焊性強的特點，在油氣田集輸管線中應用較為廣泛。本文以2205雙相不銹鋼和X65管線鋼爆炸復合板為對象，研究其界面微觀結構及性能，對促進X65/2205雙金屬復合材料在油氣集輸管線中的應用具有重要的意義。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗采用厚度為14.0 mm的X65管線鋼與厚度為2.0 mm的2205雙相不銹鋼，經爆炸焊接形成雙金屬復合板。基體材料X65鋼級管線鋼的顯微組織為PF+B粒+P；2205雙相不銹鋼復合層的顯微組織為α(鐵素體相)+γ(奧氏體相)雙相組織，其中α相百分含量約為55.48%。試驗所用材料的化學成分見表1，力學性能見表2。

表1 試驗材料的化學成分質量含量 %

表2 試驗材料的力學性能

1.2 試驗方法

采用UTM5305材料試驗機測試了X65/2205雙金屬復合板的拉伸性能和剪切強度，測試剪切強度的試樣如圖1所示。其中h為復合層厚度(單位為mm)，其尺寸由X65/2205雙金屬具體尺寸及復合工藝確定。采用線切割的方法將X65基體金屬和2205不銹鋼復合層進行剝離，測試了爆炸復合后2205雙相不銹鋼的拉伸性能；用PIT302D示波沖擊試驗機測試了X65基體和X65/2205復合板的夏比沖擊性能。利用MEF4M金相顯微鏡、VEGA掃描電鏡和NSS-300型能譜儀分析了X65/2205雙金屬復合板的界面微觀結構。

圖1 剪切強度測試樣

2 試驗結果及分析

2.1 力學性能測試

采用長度為300 mm、寬度為38.1 mm、標距為50 mm的板狀試樣，測試X65/2205雙金屬復合板的拉伸性能。圖2是X65基體與X65基體+2205不銹鋼復層的拉伸性能比較。經試驗，帶復合層X65的屈服強度(Rt0.5)為573～583 MPa，抗拉強度為720 MPa，均比X65基體的屈服強度和抗拉強度高約50～60 MPa，而斷后伸長率為37%，與原X65基體的斷后伸長率幾乎一致。

圖2 基體X65與X65+復合層(2205不銹鋼)拉伸曲線

剪切強度是定量評價層狀復合材料結合性能的指標之一，能有效反映層狀復合材料的界面結合質量。采用拉伸試驗的方法，測試X65/2205雙金屬復合板剪切強度的試驗結果見表3。從表3可以看出，X65/2205雙金屬復合板的剪切強度大小搭接長度有一定關系。隨搭接長度的增加，剪切強度從也會增大，最終接近實際的剪切強度。當搭接長度小于6 mm時，試樣均從復合層界面斷裂；當搭接長度為6 mm或超過6 mm時，試樣將從切口位置附近的2205不銹鋼復合層上斷裂，試樣面積應為2205雙相不銹鋼復合層橫截面的面積，因此該測試結果并不代表復合板的剪切強度，而是復合層的抗拉強度。同時，從表3也可以得出，X65管線基體和2205雙相不銹鋼爆炸復合后，界面結合強度較高，可以達到370 MPa以上。

表3 X65/2205剪切強度測試結果

用線切割的方法將X65基體金屬和2205不銹鋼復合層進行剝離后，對2205雙相不銹鋼復合層進行拉伸試驗，測得其屈服強度(Rp0.2)為960 MPa，抗拉強度為1 163 MPa，分別高于復合前2205雙相不銹鋼的屈服強度和抗拉強度。

對X65/2205雙金屬復合板進行夏比沖擊試驗，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，采用V型缺口，缺口深度為2 mm，試驗溫度為-10 ℃。表4是X65/2205的夏比沖擊試驗結果。從表4可以看出，基體X65的夏比沖擊吸收能量平均值為268 J，而帶有2205雙相不銹鋼復層的夏比沖擊吸收能量平均值約170 J，下降了約100 J。

表4 X65/2205夏比沖擊試驗結果

2.2 微觀結構及討論

雙金屬復合板取樣后，對剖面進行磨樣、拋光、腐蝕后利用金相顯微鏡觀察X65/2205界面，其微觀形貌如圖3所示。從圖3可以觀察到，X65管線鋼基體和2205雙相不銹鋼復層之間形成了一條明顯界面，并且界面線呈波浪形狀。這種波浪形狀的界面是由于界面兩側的金屬在爆炸沖擊波的作用下發生變形而形成的，并使界面附近的基體金屬和復合層金屬相互“咬合”，增加了基體金屬和復層金屬在變形過程中的滑動阻力，從而保證了X65基體和2205不銹鋼復合層具有較好的剪切性能。同時，可以看出2205雙相不銹鋼復合層的組織變形明細，其波浪變形比X65管線鋼基體變形大。究其原因主要是2205不銹鋼復合層厚度遠小于X65基體的厚度，爆炸復合時炸藥一般是布置在2205不銹鋼復合層一側，爆炸產生的沖擊波直接作用在復合層上所致。因此，X65/2205結合界面的波浪形貌和金屬變形大小可以直觀地體現其結合強度和剪切強度。

圖3 X65/2205界面微觀結構

從剪切試樣斷口的X65管線鋼基體側取樣，對結合界面進行能譜分析，結果如圖4所示。從圖4(a)可以看出斷口上有明顯的塊狀凸起或凹坑，這表明X65管線鋼基體和2205不銹鋼復合層的結合界面在拉伸過程中受剪切力的作用，從而將界面撕裂產生凹凸的界面。圖4(b)的能譜分析表明，在斷口X65基體側的結合面上，Cr、Mo、Ni等合金元素含量較高。這說明X65/2205界面存在原子擴散，在斷口X65基體側上存在2205雙相不銹鋼成分，從而進一步表明剪切試樣是在結合界面處斷裂，X65/2205爆炸復合板也具有較好的結合強度，所測試的剪切強度反映了X65管線鋼基體和2205不銹鋼復合層的結合性能。

圖5是2205雙相不銹鋼復合層的顯微組織照片，其中灰色的長條狀組織為鐵素體(α相)，白色組織為奧氏體(γ相)。圖5表明，2205雙相不銹鋼經爆炸復合后，其基本組織仍是α+γ雙相組織。由于2205雙相不銹鋼含有大量的鐵素體和較高的Cr、Mo等合金含量，所以比奧氏體不銹鋼更容易析出金屬中間相，其硬度和強度較高，脆性較大，從而使得2205不銹鋼復合層的耐腐蝕性降低。這也正是爆炸復合后2205雙相不銹鋼的屈服強度和抗拉強度均高于復合前的原因。因此，X65/2205爆炸工藝對復合層的耐腐蝕性和拉伸性能有直接影響，需要嚴格控制爆炸工藝，并進行適當的熱處理[14,15]。

圖4 X65/2205結合界面斷口及能譜分析

圖5 2205雙相不銹鋼復合后的顯微組織

2205雙相不銹鋼不但強度高，而且具有良好的塑性和韌性。一般地，在-10 ℃下，2205雙相不銹鋼全尺寸V型缺口夏比沖擊試樣的吸收能量為280～315 J，與基體X65的夏比沖擊吸收能量基本相當。而且2205雙相不銹鋼沖擊試樣斷口分離在靠近轉變溫度-60～-80 ℃時才出現，這也與X65管線鋼基體的斷口分離出現規律基本一致。但是，從表4可以看出，X65/2205的夏比沖擊吸收能量平均值只有170 J，不論是與X65基體還是2205雙相不銹鋼相比，其吸收能量均下降了約100 J。說明，2205雙相不銹鋼與X65管線鋼基體爆炸復合后，其沖擊韌性損失約30%。圖6是X65/2205夏比沖擊試樣斷口形貌和SEM照片。從圖6可以看出，在2205雙相不銹鋼復合層和X65基體上都出現了不同程度的斷口分離，而且越靠近結合界面，X65基體上斷口的分離程度越大。同時，可以看到，在2205雙相不銹鋼復合層和X65管線鋼基體的結合界面處的斷口也出現了較大的分離。因此，爆炸復合對2205復合層和X65基體的組織性能有一定影響，造成了夏比沖擊試樣在較高溫度下就出現斷口分析，從而使X65/2205的沖擊韌性損失較大。

圖6 X65/2205夏比沖擊斷口和SEM照片

3 結 論

1)X65/2205爆炸復合板的屈服強度和抗拉強度均比X65基體的屈服強度和抗拉強度高約50～60 MPa，而斷后伸長率與X65基體的斷后伸長率基本一致。

2)X65/2205爆炸復合板界面呈波浪“咬合”形狀，其結合強度可以達到370 MPa以上。采用拉伸剪切試驗法測試X65/2205復合板結合性能時，搭接長度L應盡可能長，一般取L=1.5～2.0h(h為圖1中復合層的厚度)。

3)X65與2205雙相不銹鋼爆炸復合后，易形成斷口分離，導致復合板的韌性降低。因此，需要采取合理的熱處理工藝改善組織和性能。

[1] 李發根，魏 斌，邵曉東，等. 高腐蝕性油氣田用雙金屬復合管[J]. 油氣儲運，2010，29(5)：359-362.

[2] 馮 健，李春陽，侯國亭，等. 壓力容器用大厚度13MnNiMoR/S32168爆炸焊接金屬復合板及其生產工藝探討[J]. 壓力容器，2016，33(3)：74-78.

[3] 卜正國. 鹽硝生產發展與雙金屬復合材料的應用前景[J]. 鹽業與化工，2013，42(2)：4-6.

[4] 王永芳，袁江龍，張燕飛，等. 雙金屬復合管的技術現狀和發展方向[J]. 焊管，2013，36(2)：5-9.

[5] 王 純，畢宗岳，張萬鵬，等. 國內外雙金屬復合管研究現狀[J]. 焊管，2015，38(12)：7-12.

[6] 何小東，李記科，梁明華，等. 雙金屬復合管成型焊接方式探討及應用[J]. 鋼管，2015，44(6)：10-14.

[7] WANG Xuesheng, Li Peining, WANG Ruzhu.Study on Hydro-forming Technology of Manufacturing Bimetallic CRA-lined Pipe [J]. International Journal of Machines Tools & Manufacture, 2005(45):373-378.

[8] 呂世雄，王 廷，馮吉才. 20G/316L雙金屬復合管弧焊接頭組織與性能[J]. 焊接學報，2009，30(4)：93-96.

[9] 王東紅，郭江濤，鐘 煒，等. 雙金屬復合管全自動TT對接焊工藝研究[J]. 熱加工工藝，2014，43(19)：216-217.

[10] 王 斌，吳立斌，楊 燕. L415QQB/UNS S31603雙金屬復合管環焊縫失效原因分析[J]. 熱加工工藝，2016，45(1)：256-260.

[11] 李 炎，祝要民，周旭峰，等. 316L/16MnR熱軋復合板界面組織結構的研究[J]. 金屬學報，1995，31(12)：216-217.

[12] 陳 靖，佟建國，任學平，等. 25Cr5MoA/Q235鋼復合板的結合性能[J]. 北京科技大學學報，2007，29(10)：985-988.

[13] 李 龍，張心金，劉會云，等. 金屬層狀復合材料結合性能的評價方法[J]. 武漢科技大學學報，2013，36(3)：195-199.

[14] 喻蘭英，羅 宏，曾憲光. 2205雙相不銹鋼/16MnR爆炸復合板界面的微觀組織[J]. 爆炸與沖擊，2010，30(4)：445-448.

[15] 劉建彬，韓靜濤，鮑善勤，等. 熱處理對雙金屬復合管X60/2205組織及力學性能的影響[J]. 熱加工工藝，2009，38(4)：125-127.

Study on Microstructures and Bonding Properties of Interface of X65/2205 Bimetal Explosive Clad Plate

HE Xiaodong, LIU Yangqin, ZHU Lixia, LI Na, ZHANG Xueqin

(CNPCTubularGoodsResearchInstitute,Xi′an,Shaanxi710077,China)

The microstructures and bonding properties of interface of exploded X65/2205 clad plate are investigated through the mechanical test, the metallographic examination, the scanning electron microscopy (SEM) analysis and the energy spectrum analysis. The results show that the yield strength and tensile strength of X65/2205 clad plate are higher than that of X65 base metal, and the percentage elongation after fracture is almost same as that of X65. But the Charpy impact toughness is lower than that of X65 and 2205 clad plate. The interface of the composite layer is wavy and occlusal, and the atomic diffusion is found on the interface, so the interface in X65/2205 clad plate posses higher shear strength.

X65/2205 clad plate; interface; microstructure; bonding property; explosive welding

劉 強，男，1983年生，高級工程師，2008年畢業于北京有色金屬研究總院，目前從事特殊油井管研究及開發工作。E-mail:liuqiang030@cnpc.com.cn

TB331

A

2096-0077(2017)04-0032-05

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.04.008

2017-03-20 編輯：葛明君)