熱處理工藝對爆炸焊接C276/Q345R金屬復合板性能的影響

供稿|周杰 / ZHOU Jie

C276哈氏合金是一種含W的Ni-Cr-Mo合金，具有極佳的抗點蝕和晶間腐蝕性能[1]。較高的Cr和Ni含量使得C276耐Cl–腐蝕性能優異，因而哈氏合金在核電工程、電力環保、石化設備等強酸腐蝕性環境中廣泛使用[2-3]。鑒于C276昂貴的市場價格，目前工業中普遍將哈氏合金與碳鋼復合使用，既保證了高耐蝕性又滿足強度需求。

經過爆炸焊接的C276/Q345R復合板需要進行熱處理來消除爆炸應力，而爆后熱處理工藝往往是哈氏合金-鋼復合板綜合質量的決定性因素。目前已有的熱處理工藝通常會造成復合板結合界面顯微硬度偏高影響后續的機加工，或復層耐蝕性喪失導致整板耐蝕性不達標等問題，致使C276/Q345R復合板良品率較低[4]。本文以爆炸焊接C276/Q345R復合板為研究對象，通過對比分析的方法，重點研究了低溫退火和高溫正火對復合板整體性能的影響。

實驗材料與方案

實驗材料

采用C276哈氏合金(復板)和Q345R低合金鋼(基板)為實驗材料，規格分別為2030 mm×1030 mm×2 mm和2000 mm×1000 mm×10 mm，其主要化學成分如表1和表2所示。

采用平行安裝法制備C276/Q345R復合板，選用低猛度和低爆速的乳化炸藥并摻入石英砂，進一步降低爆速。在炸藥與復板C276之間加上緩沖層，避免爆轟波作用導致復板表面被灼傷或產生裂紋等缺陷。根據經驗公式計算爆炸焊接工藝參數[5-8]，最終制得規格尺寸為2000 mm×1000 mm×(2+10) mm的C276/Q345R復合板，圖1為C276/Q345R復合板爆炸焊接示意圖。

表1 C276哈氏合金化學成分(質量分數，%)

表2 Q345R低合金鋼化學成分(質量分數，%)

圖1 C276/Q345R復合板爆炸焊接示意圖

實驗方案

據相關資料顯示，哈氏合金C276在550～950℃范圍內會發生敏化，晶界產生大量析出相，導致晶界耐腐蝕性能降低，產生晶間腐蝕敏感性。C276在敏化溫度范圍內停留的時間越長耐腐蝕性能下降幅度越大[9]。因此，經查閱大量文獻并綜合考慮C276/Q345R爆炸復合板常用熱處理制度后，采用表3所示的實驗方案對復合板進行熱處理。

采用Dino-lite JSZ6(JX13)顯微鏡觀察試板的微觀組織形貌，利用微機控制液壓萬能實驗機AUM/60W(LX05)進行拉伸實驗，在GW-160G鋼管彎曲實驗機上完成試板彎曲實驗，在HH-4(JF09)型數顯恒溫水浴鍋中使用ASTM G48—2011(2015)實驗方法完成腐蝕速率測定實驗。

表3 C276/Q345R爆炸復合板熱處理方案

實驗結果與分析

實驗結果

圖2為C276/Q345R爆炸復合板試板切割成小樣后的宏觀形貌圖。從圖中可以看出，通過爆炸焊接方式結合到一起的C276/Q345R復合板外觀結合情況良好，無裂紋、分層等缺陷。通過UT超聲波探傷檢測表明整板100%結合。不同熱處理工藝后C276/Q345R復合板性能結果如表4所示。

圖2 C276/Q345R爆炸復合板試板

實驗分析

根據表4檢測結果可知，無論是采用低溫退火還是高溫正火的熱處理工藝，C276/Q345R爆炸復合板熱處理后剪切強度等各項力學性能指標均達到標準要求，部分指標高于標準值200%以上。

在爆轟力的作用下，復合板波狀結合面發生巨大的塑性變形，界面處組織的顯微硬度在爆炸硬化的作用下大幅增加，超過了基板和復板的原始組織硬度。從表4中可見，同一熱處理工藝下，兩次測得的硬度值有一定偏差，這是因為復合板硬度的變化趨勢是從界面向兩側逐漸降低的，偏差值在合理范圍內。隨著熱處理溫度的提高，復合板界面處顯微硬度總體呈下降趨勢。當熱處理溫度升高到1120 ℃后，此時復合板界面顯微硬度相比低溫退火降低了約200 HV，接近于基體低合金鋼Q345R的硬度。基于以上分析結果，可以得出C276/Q345R復合板爆炸焊接后采用高溫正火的熱處理工藝有利于降低復合板的顯微硬度。從表4中還可以看出，1000 ℃和1120 ℃熱處理后的復合板剪切強度與顯微硬度變化趨勢類似，雖然有所下降但是均遠高于210 MPa的標準值。

表4 熱處理后C276/Q345R爆炸復合板理化性能檢測結果

除了力學性能外，復層C276哈氏合金的耐蝕性也是衡量C276/Q345R爆炸復合板綜合性能的關鍵指標。從表4可以看出，除了1000 ℃正火外，其余熱處理工藝下檢測到的C276/Q345R爆炸復合板復層耐蝕性均高于標準值，滿足工業環境使用要求。圖3為復合板1000 ℃正火后復層的顯微組織圖。從圖中可以看出，該熱處理工藝下整個復層布滿了腐蝕孔洞，出現了極其嚴重的晶間腐蝕現象。通過分析可知，1000 ℃熱處理下，C276析出了大量的彌散分布的金屬間相，這些相的析出無形中增加了晶界在合金成分方面的不均勻性，導致復層耐腐蝕性能急劇下降。

圖4為復合板在1120 ℃熱處理并采用空冷和水冷兩種不同冷卻方式后復層的顯微組織圖。通過對比分析可以發現，水冷條件下復層C276中的二次析出相數量相對更少，說明1120 ℃采用水冷方式的C276/Q345R復合板具有更好的耐蝕性，與表4檢測結果相一致。這是因為水冷條件下，復層C276具有更快的冷卻速度，在敏化溫度范圍內停留的時間更短。雖然空冷條件下復層的耐蝕性不及水冷，但是仍然完全滿足≤2.75 mm/a的標準要求。

圖3 熱處理1000 ℃，30 min并空冷后復層顯微組織

圖4 不同冷卻速率下1120 ℃熱處理后復層顯微組織：(a)空冷；(b)水冷

結束語

(1)C276/Q345R爆炸復合板無論是采用500～550 ℃低溫退火，還是1120 ℃高溫正火的熱處理工藝，其力學性能及耐蝕性指標均高于標準值，滿足環境使用要求。

(2)1120 ℃高溫正火后的復合板界面顯微硬度得到充分改善，接近于基板Q345R的硬度，有利于后續的機加工處理；而500～550 ℃低溫退火后的復合板界面顯微硬度仍然較高。

(3)C276/Q345R爆炸復合板最佳的熱處理工藝是1120 ℃，30 min/水冷，這樣既保證了復合板具有良好的力學性能，又保證了復層耐蝕性不會喪失。