304/Q245R爆炸復(fù)合板結(jié)合界面耐蝕性研究

徐恒文，林東升，張　罡

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110159)

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304/Q245R爆炸復(fù)合板結(jié)合界面耐蝕性研究

徐恒文，林東升，張罡

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110159)

摘要：針對304/Q245R爆炸復(fù)合板結(jié)合界面，應(yīng)用金相顯微鏡、掃描電鏡(EDS)和電化學(xué)腐蝕試驗方法，研究了復(fù)合板結(jié)合界面的耐蝕性。試驗結(jié)果表明：復(fù)合板結(jié)合區(qū)寬度約為170μm，存在退火再結(jié)晶的細小等軸晶粒、形變回復(fù)組織和漩渦；結(jié)合界面組織的不均勻性抑制了電化學(xué)腐蝕進行，提高了結(jié)合界面的耐蝕性能，使其滿足工業(yè)實際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：爆炸焊接；顯微組織；結(jié)合界面；電化學(xué)腐蝕

奧氏體不銹鋼/低碳鋼爆炸復(fù)合板由于其高強度、高耐蝕性和價格相對低廉的優(yōu)勢[1]，廣泛應(yīng)用于壓力容器行業(yè)。而壓力容器運行過程中，腐蝕是影響其結(jié)構(gòu)失效最常見的原因之一。

鈦/鋁爆炸復(fù)合板在人工海水溶液中腐蝕試驗，由于結(jié)合界面處產(chǎn)生了局部熔融物和爆炸焊接殘余應(yīng)力，腐蝕主要集中在母材和結(jié)合界面處，但可以滿足工業(yè)生產(chǎn)對復(fù)合板的耐腐蝕性能要求[2]。Q235鋼-鋁合金爆炸復(fù)合接頭組織發(fā)生強烈的塑性變形和熔化，組織和性能的不均勻性使腐蝕情況更為嚴(yán)重，在3.5%NaCl溶液中發(fā)生了電偶腐蝕和晶間腐蝕[3]。鋁-鋼和鋁-鈦-鋼爆炸復(fù)合材料發(fā)生電偶腐蝕，且在鋁-鈦之間形成腐蝕溝槽[4-5]。但是，爆炸復(fù)合板結(jié)合界面耐蝕性的影響機理研究尚不深入。

本文以304/Q245R爆炸復(fù)合為研究對象，對復(fù)合板結(jié)合界面組織的不均勻性及其耐蝕性進行分析，根據(jù)電化學(xué)腐蝕試驗數(shù)據(jù)，研究復(fù)合板結(jié)合界面耐蝕性的影響機理。

1實驗材料及方法

1.1實驗材料

304/Q245R爆炸復(fù)合板，復(fù)材304厚度為3mm，基材Q245R厚度為20mm，將基板和復(fù)板結(jié)合的形變區(qū)域稱為結(jié)合界面。出廠前，該復(fù)合板進行消應(yīng)力退火處理，加熱溫度(630±10)℃，保溫時間為1h，空冷[6]?；搴蛷?fù)板的化學(xué)成分如表1所示。

表1　基材Q245R和復(fù)材304的化學(xué)成分　　　wt%

1.2試驗方法

垂直于復(fù)合板表面取樣，并沿平行于爆炸方向制樣，確保觀察面平行于爆炸方向[7]。試件經(jīng)打磨、拋光，基板側(cè)腐蝕液為4%的硝酸酒精，復(fù)板側(cè)為王水。應(yīng)用德國蔡司Axiovert200 MAT金相顯微鏡，對制得的試件結(jié)合界面形貌進行分析，并應(yīng)用顯微鏡中自帶軟件對波形結(jié)合界面寬度進行測量。

應(yīng)用日本日立S-4800掃描電鏡(EDS)，對爆炸復(fù)合板不同結(jié)合方式的界面內(nèi)元素是否發(fā)生擴散進行線掃描分析。

采用CHI660E型電化學(xué)工作站，常規(guī)的三電極系統(tǒng)，參比電極為飽和的甘汞電極，輔助電極為鉑電極，電解介質(zhì)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%NaCl水溶液，室溫。對爆炸復(fù)合板基板、復(fù)板和結(jié)合界面拋光后進行電化學(xué)腐蝕試驗，依據(jù)復(fù)合板Tafel極化曲線和電化學(xué)阻抗譜(electrochemical impedance spectroscopy，EIS)的Nyquist圖研究其電化學(xué)腐蝕規(guī)律。

2實驗結(jié)果及分析

2.1復(fù)合板結(jié)合界面形貌

復(fù)合板在爆轟波的作用下，基板和復(fù)板結(jié)合界面附近產(chǎn)生較大的塑性變形，晶粒平行于爆炸方向被拉長[8-9]。越靠近基材表面，塑性變形程度越嚴(yán)重。消應(yīng)力退火處理消除了復(fù)合板宏觀范圍的內(nèi)應(yīng)力，也改變了結(jié)合界面附近組織結(jié)構(gòu)及性能。304/Q245R爆炸復(fù)合板結(jié)合界面金相形貌如圖1所示。

(a)復(fù)合板結(jié)合界面波形金相形貌

(b)基材側(cè)3#波峰金相形貌

(c)復(fù)合板結(jié)合界面漩渦激光共聚焦形貌

基板與復(fù)板以波形結(jié)合(圖1a)，波長約為900μm，波高約為250μm。

3#波形放大形貌(圖1b)，基板和復(fù)板結(jié)合界面均發(fā)生較大塑性變形，距離基板和復(fù)板界面越近，形變程度越大，退火處理時，回復(fù)再結(jié)晶越容易發(fā)生。緊挨基板和復(fù)板界面處，基材側(cè)細小的等軸晶粒出現(xiàn)，為退火再結(jié)晶組織，其寬度為20μm左右?；膫?cè)變形區(qū)寬度約為150μm。從圖1b中可以看出，復(fù)合板結(jié)合界面為直接結(jié)合和熔化層結(jié)合兩種結(jié)合方式，且熔化層內(nèi)部存在漩渦組織。

對漩渦組織進一步放大(圖1c)，其漩渦組織內(nèi)部存在大量縮松、夾雜和未熔合等類似于鑄造組織的缺陷，且組織不連續(xù)。

2.2爆炸復(fù)合板結(jié)合界面成分掃描

爆炸復(fù)合板結(jié)合界面線掃描譜圖如圖2所示。

(a)直接結(jié)合界面線掃描譜圖

(b)熔化結(jié)合界面線掃描譜圖

圖2a為退火態(tài)復(fù)合板結(jié)合界面EDS線掃描圖譜，基板和復(fù)板界面處Fe、Cr和Ni三種元素含量發(fā)生較大變化，可以看出，界面處出現(xiàn)寬度為5μm左右擴散區(qū)。這主要是因為該區(qū)域爆炸復(fù)合板為金屬間的直接結(jié)合[10]，在巨大的壓力作用下，發(fā)生不同材料間的原子結(jié)合，固態(tài)下原子擴散系數(shù)相對較小，元素的擴散距離很短，擴散量有限，元素來不及發(fā)生長距離擴散。

由圖2b結(jié)合界面線掃描分析可知，該區(qū)域Fe、Cr和Ni元素含量介于復(fù)板304奧氏體不銹鋼和基板Q245R之間，是由于爆炸焊接過程中，瞬間高溫高壓使基板和復(fù)板部分組織熔化，混合后形成的凝固組織，界面為熔化層結(jié)合[10]，其內(nèi)部殘存著少量破碎的金屬。線掃描分析，卷入熔化層破碎的金屬碎屑各元素含量與基材相同，可知，破碎金屬為基材Q245R鐵素體組織；在界面處，Cr和Ni元素擴散現(xiàn)象不明顯，但Fe可以看出發(fā)生明顯的擴散現(xiàn)象，由于其過程發(fā)生在微秒級別，并不能發(fā)生元素的長距離擴散。

由以上分析可知，在同一個波形內(nèi)，存在著直接結(jié)合和熔化層結(jié)合兩種結(jié)合方式，且界面均發(fā)生元素擴散現(xiàn)象，擴散距離較短，擴散層厚度大約在幾個微米范圍之內(nèi)。

2.3電化學(xué)腐蝕

電化學(xué)腐蝕理論中，同種電解質(zhì)的Tafel極化曲線，不同材料的自腐蝕電位反映了其耐腐蝕的敏感程度，自腐蝕電位越高，表明材料在電解質(zhì)溶液中耐腐蝕性能越好，腐蝕越不容易發(fā)生；自腐蝕電流表明材料抗腐蝕的能力，自腐蝕電流越小，材料抗耐腐蝕能力越強，腐蝕速率較慢，金屬材料的耐腐蝕性能越強[11-12]。

爆炸復(fù)合板基板、復(fù)板和結(jié)合界面電化學(xué)腐蝕試驗的動電位極化法測得極化曲線如圖3所示。

(a)Q245R低碳鋼電化學(xué)極化曲線

(b)304不銹鋼電化學(xué)極化曲線

(c)結(jié)合界面電化學(xué)極化曲線

圖3a、3b和3c為爆炸復(fù)合板不同界面動電位極化曲線，測試結(jié)果表明，復(fù)板304不銹鋼在電化學(xué)曲線出現(xiàn)一定的平臺，表明在腐蝕過程中具有一定的鈍性；而304不銹鋼極化曲線中的拐點所對應(yīng)的電位為不銹鋼的點蝕電位，點蝕電位越高，鈍化時間越長，耐腐蝕性能越好。點蝕是由于不銹鋼的鈍化膜在Cl-的作用下被擊穿，進而發(fā)生不銹鋼表面的局部腐蝕。

對三種界面極化曲線分析，304不銹鋼的自腐蝕電位最高而自腐蝕電流最低?？芍?04不銹鋼其耐腐蝕性能最好。而結(jié)合界面和Q245R的極化曲線相差不大。

試驗過程中測得的爆炸復(fù)合板304/Q245R不同界面的自腐蝕電位(Ecorr)和自腐蝕電流(Icorr)如表2所示。

表2　爆炸復(fù)合板304/Q245R不同界面電化學(xué)腐蝕試驗結(jié)果

由表2中復(fù)合板不同界面的自腐蝕電位Ecorr和自腐蝕電流Icorr比較可知，結(jié)合界面Ecorr為-598mV，Q245面Ecorr為-604mV，兩者相差不大，但結(jié)合界面自腐蝕電流Icorr為64.98mA，明顯小于Q245R的自腐蝕電流Icorr88.83mA，可知，基材Q245R的腐蝕速率較快，其耐蝕性能較差。由以上分析可以得出，爆炸復(fù)合板三種界面抗電化學(xué)腐蝕能力的大小為：Q245R<結(jié)合界面<304不銹鋼。

爆炸復(fù)合板三種不同界面在3.5%NaCl水溶液電化學(xué)腐蝕的Nyquist曲線如圖4所示。

圖4三種爆炸復(fù)合板界面在3.5%NaCl溶液中的Nyquist圖

由圖4可以看出，Q245R和結(jié)合界面的阻抗曲線均出現(xiàn)半圓形狀的容抗弧，而304不銹鋼的阻抗曲線相對于其他兩種界面而言，阻抗曲線可近似為一條斜向上的直線，表明其阻抗值遠大于另外兩種材料，耐腐蝕性能較好。而結(jié)合界面阻抗曲線容抗弧的半徑明顯大于Q245R的容抗弧半徑。根據(jù)腐蝕理論可知，容抗弧半徑越大，腐蝕過程中，電荷移動過程中所受的阻力越大，電化學(xué)反應(yīng)越不容易進行，腐蝕速率越慢[1]，由此可以得出，復(fù)合板三種結(jié)合界面耐腐蝕性能為Q245R<結(jié)合界面<304不銹鋼。其結(jié)果與圖3的Tafel極化曲線分析結(jié)果相同。

結(jié)合界面耐腐蝕性能略高于Q245R側(cè)，但顯著低于304不銹鋼側(cè)，表明結(jié)合界面組織的不均勻性促進了電化學(xué)腐蝕傾向，爆炸復(fù)合板結(jié)合界面存在漩渦組織[1]，如圖1c所示，其漩渦組織內(nèi)部的縮松、夾雜和未熔合等類似于鑄造組織的缺陷和復(fù)合板形變組織中的位錯等缺陷使電化學(xué)腐蝕更容易進行，但由于漩渦組織較小，對結(jié)合界面整體腐蝕性能影響較小。而基板和復(fù)板結(jié)合界面存在細小的退火再結(jié)晶等軸晶粒和大變形退火回復(fù)組織，降低了電化學(xué)腐蝕速率，抑制了結(jié)合界面的電化學(xué)腐蝕反應(yīng)。

綜上，爆炸復(fù)合板結(jié)合界面的組織的不均勻性與漩渦內(nèi)組織缺陷存在的綜合作用，使結(jié)合界面的耐蝕性高于基板Q245R，表明結(jié)合界面的耐腐蝕性能符合工程實際中的應(yīng)用。

3結(jié)論

(1)爆炸復(fù)合板以波形結(jié)合，波長900μm，波高250μm，基材側(cè)結(jié)合界面存在退火再結(jié)晶細小等軸晶粒，再結(jié)晶區(qū)域?qū)挾?0μm，殘余形變組織150μm左右。

(2)爆炸復(fù)合板結(jié)合界面為直接結(jié)合和熔化層結(jié)合兩種結(jié)合方式，兩種結(jié)合方式均發(fā)生元素擴散現(xiàn)象，擴散距離小于5μm，熔化層中卷入的金屬碎屑為基材Q245R組織。

(3)爆炸焊接復(fù)合板結(jié)合界面組織的不均勻抑制了腐蝕進行，耐蝕性高于Q245側(cè)，符合工程實際使用要求。

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(責(zé)任編輯：馬金發(fā))

Investigation of the Bond Interface Corrosion Resistance of the 304/Q245R Explosive Welding Composite Plate

XU Hengwen,LIN Dongsheng,ZHANG Gang

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

Abstract：In order to investigate corrosion resistance of the composite plate,the bond interface of 304/Q245R composite plate processed by explosive welding was researched based on optical microscope,scanning electron microscope (EDS) and electrochemical corrosion test methods.The results show that the width of composite plate bond interface is about 170μm,the ultrafine isometric grains formed after annealing recrystallization,recovery structure and vortexes were found;the inhomogeneity of bond interface organization suppresses the electrochemical corrosion and improves the corrosion resistant performance to make it meet the industrial pratical needs.

Key words：explosive welding;microstructure;bond interface;electrochemical corrosion

中圖分類號：TG456.6

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1003-1251(2016)01-0040-05

作者簡介：徐恒文(1972—)，男，碩士研究生；通訊作者：張罡(1963—)，男，教授，博士，研究方向：焊接及材料表面先進改性技術(shù)。

收稿日期：2014-12-17