國產825 合金焊接接頭耐腐蝕性能研究

姚 飛，何超輝

（1.岳陽長嶺煉化方元建設監理咨詢有限公司，湖南岳陽 414000；2.岳陽長嶺設備研究所有限公司，湖南岳陽 414012）

0 引言

Incoloy 825 鎳基耐蝕合金因其優異的抗腐蝕性能和優良的加工性能被廣泛應用在石化行業中[1]。國產825 合金材料具有良好的耐腐蝕性、工藝加工性以及較高的強度，得到了廣泛的應用[2]。但是國產825 合金材料在焊接過程中，材料的組織結構不可避免的發生一些變化，特別是焊縫及熱影響區，焊接接頭耐蝕性能對其使用壽命有較大的影響。對國產825 合金焊接接頭耐腐蝕性能進行基礎研究可為設計和使用單位提供參考數據。

1 試樣材料及焊接工藝

試樣材料取一定大小的國產825 合金板材，通過對板材的EDS 分析，結果顯示構成國產825 合金板材的主要元素為Ni、Fe、Cr，其中含有少量的Cu、Si、Ti、A（l圖1）。

圖1 國產825 合金板材的EDS 檢測結果

焊接母材采用厚度為17 mm 的國產825 合金板材，焊接材料采用Techalloy 825 合金焊絲，焊接過程中使用氬氣作為保護氣體。

2 實驗過程及結果

2.1 金相顯微組織測試

將制備好的國產825 合金焊接接頭樣品做金相顯微組織前處理，處理完后放在金相顯微鏡下分別對焊縫區、熱影響區及母材進行檢測。得到國產825 合金焊縫和熱影響區的金相顯微組織如圖2 所示。

圖2 焊接接頭熱影響區金相顯微組織

從圖2 可以看出，焊接接頭焊縫區、熱影響區和母材的金相顯微組織均為奧氏體，但焊縫區的金相顯微組織的晶界處出現貧鉻區，主要原因為焊接時焊接金屬在高溫熔化下造成的結果。

2.2 腐蝕掛片實驗

將處理好的試片分別置于100 mL 的10%HCl 溶液和1 mol/L Na2S 溶液的密閉陶瓷容器中，在150 ℃溫度的腐蝕環境下進行浸泡實驗。

（1）10%HCl 溶液。采用掛片法將國產825 合金焊接接頭與母材在150 ℃的10%HCl 溶液中浸泡27 h。其腐蝕實驗結果見表1。

表1 合金焊接接頭與母材在10%HCl 中的腐蝕速率

從表1 可知，在150 ℃的10 % HCl 溶液中，母材的平均腐蝕速率為2.158 7 mm/a，接頭的腐蝕速率為35.412 1 mm/a，焊接接頭的腐蝕速率是母材的16 倍。試片表面均無腐蝕產物，實驗完成后腐蝕溶液呈深綠色，腐蝕后試樣的宏觀表形貌見圖3。

由圖3 可見，在150 ℃的10%HCl 溶液中，母材表面整體腐蝕輕微，局部有細小點蝕，而國產825 合金焊接接頭腐蝕問題較為突出。腐蝕原因一是焊縫金屬在HCl 溶液的去極化腐蝕，二是焊縫金屬與母材之間形成了腐蝕電池，焊接接頭作為犧牲陽極加速了腐蝕。

圖3 母材與合金焊接接頭腐蝕形貌

（2）1 mol/L 的Na2S 溶液。將國產825 合金焊接接頭與母材在150 ℃的1 mol/L Na2S 溶液中浸泡335 h。其腐蝕實驗結果見表2：

表2 腐蝕速率情況（1 mol/L Na2S 溶液）

從表2 可知，焊接接頭與母材腐蝕速率相差不大，國產825合金焊接接頭在1 mol/L Na2S 溶液的抗腐蝕性能與母材相近，焊接后并未影響材料及熱影響區的耐腐蝕性能。

2.3 電化學腐蝕實驗

（1）10%的HCl 溶液。采用電化學工作站分別測試國產825合金焊接接頭和母材在10%HCl 溶液、1 mol/L 的Na2S 溶液中的極化曲線，具體的電化學測試結果如圖4、圖5 所示。

圖4 焊接接頭與母材在HCl 溶液中的極化曲線

圖5 焊接接頭與母材在Na2S 溶液中的極化曲線

由圖4 可知，在10%的HCl 溶液中，母材和焊接接頭的陽極極化曲線在開始時均表現為合金的活性溶解。當電位達到0.15～1.0 V 時，母材出現了一個明顯的鈍化區，電位在1.0 V 以后鈍化層被破壞，腐蝕電流隨電位的增大而增大。

由圖5 可知，在1 mol/L 的Na2S 溶液中，母材和焊接接頭的極化曲線類似，在-0.9 V 附近均出現鈍化區，之后電流密度隨電位的增加而增大。國產825 合金焊接接頭的耐腐蝕性能與母材相當。

2.4 高溫氧化測試

將制備好的合金試樣在800 ℃的溫度下加熱氧化8 h 后取出冷卻進行氧化性能實驗，實驗結果見表3。

從表3 可以看出，在800 ℃的高溫氧化下，國產825 合金焊接接頭的腐蝕速率與母材相差不大。

表3 高溫氧化實驗結果

2.5 晶間腐蝕實驗

將處理好的825 合金焊接接頭試片進行晶間腐蝕實驗，實驗進行5 個周期，每周期48 h。實驗結果見表4。

表4 晶間腐蝕實驗結果 mm/a

由表4 可知，國產825 合金焊接接頭晶間腐蝕速率比母材的大。

采用金相顯微鏡對實驗完成后樣品焊縫區、熱影響區及母材的金相顯微組織與表面形貌進行分析。分析結果如圖6 所示。

圖6 焊接接頭與母材經晶間腐蝕后的金相照片（300×）

由圖6 可以看出，焊接接頭與母材相比，焊縫區的晶粒度比較小，晶界區域比較大，晶界處的貧鉻區較大。由此可見，焊縫金屬的耐晶間腐蝕性能比母材的差。

2.6 應力腐蝕實驗

采用SSRT 拉伸應力腐蝕機研究國產825 合金焊接接頭在不同介質中的應力腐蝕情況，其研究結果見表5。

表5 應力腐蝕實驗結果

由表5 可以看出，在空氣介質、10%的HCl 和3.5%的NaCl 中，國產825 合金母材的延伸率、面縮率都和抗拉強度均比國產825 合金焊接接頭的大，而應力腐蝕敏感性參數卻比焊接接頭的小。

在空氣介質、10%的HCl、1 mol/L 的Na2S 和3.5%的NaCl溶液中，國產825 合金焊接接頭的延伸率、面縮率和抗拉強度的大小關系為：

延伸率空氣介質>延伸率1 mol/L 的Na2S>延伸率3.5%的NaCl>延伸率10%的HCl。

面縮率空氣介質>面縮率1 mol/L 的Na2S>面縮率3.5%的NaCl>面縮率10%的HCl。

抗拉強度空氣介質>抗拉強度1 mol/L 的Na2S>抗拉強度3.5%的NaCl>抗拉強度10%的HCl。

在10%的HCl、1 mol/L 的Na2S 和3.5%的NaCl 溶液中，國產825 合金焊接接頭的應力腐蝕敏感性參數的大小關系為：

應力腐蝕敏感性參數10%的HCl>應力腐蝕敏感性參數3.5%的NaCl>應力腐蝕敏感性參數1 mol/L 的Na2S。

但是在3.5%的NaCl 和1 mol/L 的Na2S 溶液中，國產825合金焊接接頭的應力腐蝕敏感性參數較小，而在10%的HCl 中比較大。由此可見，在3.5%的NaCl 和1 mol/L 的Na2S 溶液中，國產825 合金焊接接頭發生應力腐蝕的可能性比較小，而在10%的HCl 中發生應力腐蝕的可能性比較大。

3 結束語

（1）國產825 合金焊接接頭焊縫區、熱影響區和母材的金相顯微組織均為奧氏體，但焊縫區的金相顯微組織的晶界處出現貧鉻區，主要原因為焊接時焊接金屬在高溫溶化下造成的結果。

（2）腐蝕掛片實驗結果表明，國產825 合金焊接接頭在10%的HCl 溶液中的腐蝕速率為35.412 1 mm/a，并且焊縫區嚴重腐蝕，其主要原因是焊縫金屬的腐蝕電位比母材更低，焊縫金屬與母材之間形成電偶腐蝕，使得焊縫區加速溶解，而母材區域得到一定的保護；國產825 合金焊接接頭在1 mol/L 的Na2S 溶液中的腐蝕速率為0.002 1 mm/a，與母材的相差不大。

（3）電化學測試結果表明，在10%的HCl 溶液中，國產825合金焊接接頭的腐蝕電流比母材的大，并且實驗完成后的電極表面焊縫區產生嚴重的腐蝕，和腐蝕掛片實驗結果一致；在1 mol/L的Na2S 溶液中，國產825 合金焊接接頭比母材相當。

（4）800 ℃的高溫氧化結果表明，國產825 合金焊接接頭耐高溫氧化性能與母材相差不大。

（5）晶間腐蝕實驗結果表明，國產825 合金焊接接頭耐晶間腐蝕性能比母材弱，其主要原因是焊接金屬的晶粒度比較小，晶界區域大，造成晶界處出現大量的貧鉻區。

（6）應力腐蝕試驗結果表明：在空氣介質、10%的HCl 和3.5%的NaCl 中，國產825 合金母材的延伸率、面縮率和抗拉強度均比國產825 合金焊接接頭的大，而應力腐蝕敏感性參數卻比焊接接頭的小。

（7）采用不同焊接工藝將得到不同性能的焊接接頭，焊接工藝對焊接接頭的機械物理性能和耐腐蝕性能有顯著的影響。在實際設備的加工中應選擇合適的焊接工藝以保證焊接部位的相關性能。