Monel400/Q345R爆炸復合板電化學性能的研究

李 冰，呂德超，林東升，王 爽，張 罡

Monel400/Q345R爆炸復合板電化學性能的研究

李 冰1，呂德超1，林東升2，王 爽3，張 罡1

(1.沈陽理工大學 材料科學與工程學院，沈陽 110159; 2.長城汽車股份有限公司，河北 保定 071000;3.遼寧忠旺集團有限公司技術(shù)中心，遼寧 遼陽 111003)

應用測試動電位極化曲線和交流阻抗譜的方法，研究Monel400/Q345R爆炸復合板在3.5%NaCl溶液中的耐蝕性。實驗結(jié)果表明:復板Monel400在實驗條件下表現(xiàn)出鈍性，腐蝕效率低，結(jié)合界面的腐蝕性能明顯降低，自腐蝕電流較大，耐蝕性能與基板Q345R接近；爆炸焊接結(jié)合界面形成的組織結(jié)構(gòu)、化學成分和力學性能不均勻性，是結(jié)合界面耐腐蝕性能降低主要原因。

爆炸焊接復合板；結(jié)合界面；顯微組織；耐蝕性

Monel400有極好的耐蝕性，對還原性酸、堿類和海水都表現(xiàn)出較好的耐蝕效果[1]。Monel400/Q345R爆炸復合板兼具著蒙乃爾合金的良好耐蝕性和鋼板高強度的綜合性能，因此被大量用在石油化工、壓力容器等許多耐蝕性產(chǎn)品中。

研究表明，材料的微觀組織結(jié)構(gòu)決定著耐蝕性能，材料的成分和熱處理工藝決定著微觀組織[2]。爆炸過程中，基板和復板受到高溫高壓作用，組織沿爆轟方向發(fā)生劇烈的塑性變形，結(jié)合界面處出現(xiàn)元素擴散并形成孔洞和微裂紋等缺陷，影響了力學性能和耐蝕性能。目前關于爆炸復合板的研究集中在優(yōu)化工藝參數(shù)、研究組織結(jié)構(gòu)的變化及其對力學性能的影響等方面[3-5]，關于爆炸復合板化學腐蝕方面的研究相對較少。

本文通過電化學腐蝕法研究爆炸復合板結(jié)合界面的耐蝕性能，并結(jié)合界面組織結(jié)構(gòu)研究和元素擴散分析，探討結(jié)合界面發(fā)生腐蝕的原因。

1 實驗材料和方法

本試驗材料為Monel400/Q345R爆炸復合板，復板為退火態(tài)的Monel400，厚度為3mm；基板為熱軋態(tài)的Q345R，厚度為12mm，爆炸焊接后進行消應力退火處理。基板和復板的化學成分及力學性能見表1和表2。

表1 Monel400和Q345R化學成分 wt%

表2 Monel400和Q345R力學性能

沿爆炸方向制備爆炸焊接復合板截面試樣，尺寸為15mm×15mm×10mm，經(jīng)砂紙打磨、拋光、腐蝕后，采用德國蔡司Axiovert200 MAT金相顯微鏡、日本日立S-3400N掃描電鏡(含EDS附件) 對結(jié)合界面組織結(jié)構(gòu)、成分進行分析。

采用CHI660E型電化學工作站測定結(jié)合界面、基板和復板的Tafel 極化曲線。電極采用常規(guī)的三電極體系，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑電極，電解液為3.5%的NaCl水溶液。測量動電位極化曲線后，重新打磨試件得到清潔的表面，進行電化學阻抗譜的測量，對測量結(jié)果進行處理得到Nyquist圖。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 結(jié)合界面微觀結(jié)構(gòu)和元素擴散

爆炸復合板結(jié)合界面呈現(xiàn)波狀結(jié)合形貌，基板側(cè)組織變化為細晶區(qū)、纖維區(qū)、扭轉(zhuǎn)區(qū)和原始組織，如圖1所示。

爆炸時的高溫和高壓使基板和復板發(fā)生強烈的塑性變形，緊靠結(jié)合界面處塑性變形最嚴重；經(jīng)過退火處理后，變形晶粒發(fā)生回復和再結(jié)晶，在結(jié)合界面形成一層幾十微米厚的超細晶粒帶。遠離界面處組織沿爆轟方向被拉長，呈現(xiàn)典型的纖維狀，滲碳體完全碎化，破碎的片狀滲碳體球化，滲碳體顆粒析出，彌散地分布在鐵素體中。扭轉(zhuǎn)區(qū)距離界面較遠，所受的剪切力相對較小，晶粒的變形程度減弱。

圖1 基板側(cè)組織形貌

復板側(cè)組織形貌如圖2所示，變形量明顯小于基板，由細晶區(qū)和原始組織組成，可以看到明顯的流變線。鄭遠謀等[6]研究表明，結(jié)合界面處鎳基合金也發(fā)生了塑性變形，經(jīng)過退火處理，變形晶粒發(fā)生再結(jié)晶，晶粒細化，保留著原始的等軸奧氏體形貌。

結(jié)合界面處存在大量的熔化層和漩渦，如圖3所示。熔化層多數(shù)分布在波谷處，內(nèi)部含有孔洞和金屬夾雜。漩渦是結(jié)合界面處的缺陷之一，主要由柱狀晶組成，柱狀晶垂直漩渦邊緣向內(nèi)部生長，漩渦內(nèi)部有大量的裂紋存在，漩渦冷卻速度極快，形成內(nèi)應力導致裂紋的產(chǎn)生。

圖2 復板側(cè)組織形貌

圖3 結(jié)合界面熔化組織

爆炸過程中，基板和復板的元素發(fā)生擴散。圖4為結(jié)合界面處線掃描圖譜。

圖4 結(jié)合界面線掃描圖譜

由圖譜可知，結(jié)合界面處Fe、Ni和Cu三種元素含量發(fā)生了較大的變化。Fe元素由基板向復板擴散，Ni和Cu元素由復板向基板擴散。過渡區(qū)域的寬度大約為10μm。熔合區(qū)的成分介于基板和復板之間，由于爆炸焊接過程中瞬間高溫高壓使基板和復板部分組織熔化，混合后形成凝固組織。

由此可知，結(jié)合界面的組織結(jié)構(gòu)和化學元素的分布極不均勻。

2.2 電化學腐蝕

2.2.1 極化曲線

測得爆炸復合板基板、復板和結(jié)合界面在3.5%NaCl溶液中的動電位極化曲線，如圖5所示。

圖5 Monel400/Q345R爆炸復合板在3.5%NaCl溶液中的Tafel極化曲線

動電位極化曲線結(jié)果表明，復板Monel400合金和結(jié)合界面在3.5%NaCl溶液中都表現(xiàn)出一定的鈍性。在電極的鈍化區(qū)，電極表面會形成一層致密的氧化膜，阻止合金進一步腐蝕。根據(jù)有關的腐蝕理論可知，腐蝕電流和腐蝕電位表示試樣在NaCl溶液中的耐腐蝕能力的大小。一般認為，腐蝕電流越小，材料的抗腐蝕能力越強，腐蝕電位越高，材料的耐蝕性也越強。表3為試驗過程中測得的爆炸復合板Monel400/Q345R不同界面的自腐蝕電位(Ecorr)和自腐蝕電流(Icorr)。

表3 爆炸復合板Monel400/Q345R不同界面電化學腐蝕試驗結(jié)果

由表3可知，復板Monel400的自腐蝕電位高于界面和基板的腐蝕電位，且自腐蝕電流最低，因此Monel400的耐蝕性能最好；結(jié)合界面的自腐蝕電位為-0.57V，明顯低于復板Monel400的-0.23V，自腐蝕電流也高出許多，所以爆炸復合板結(jié)合界面的耐蝕性明顯低于復板的耐蝕性。

Monel400的耐蝕性能最好，是因為在Monel400表面易形成一層牢固附著在基體上的、極其致密的鈍化膜[7]，使其難以發(fā)生腐蝕。復合板結(jié)合界面耐蝕性明顯下降，根據(jù)2.1對結(jié)合界面組織結(jié)構(gòu)的分析可知，由于爆炸時強大的沖擊壓力使結(jié)合界面處的組織發(fā)生嚴重的塑性變形和熔化，甚至出現(xiàn)裂紋等缺陷，導致該區(qū)域組織結(jié)構(gòu)、力學性能的不均勻性。鄭遠謀[8]認為復合板結(jié)合界面處組織的強烈塑性變形、大量熔化，即物理和化學的不均勻性導致爆炸復合板結(jié)合界面腐蝕速率增加。結(jié)合界面處發(fā)生明顯的元素擴散現(xiàn)象，局部發(fā)生熔化，基板和復板成分混合生成新相。爆炸復合板結(jié)合界面處形成新相、存在裂紋等缺陷使復合板不能很好地被表面的鈍化膜保護，導致結(jié)合界面處的耐腐蝕性能降低[9]。

2.2.2 交流阻抗譜

測得爆炸復合板三個不同界面在3.5%NaCl水溶液中的Nyquist圖如圖6所示。

圖6 三種爆炸復合板界面在3.5%NaCl溶液中的Nyquist圖

從圖6中可以看出，三個不同界面的容抗弧不同。在 Nyquist 圖上，容抗弧的半徑反映電子遷移時受到的電阻大小[10]。圓弧半徑越大，對電子轉(zhuǎn)移的阻礙作用就越大，不易發(fā)生電子得失，金屬即不易腐蝕。復板Monel400的容抗弧半徑大于結(jié)合界面和基板Q345R，說明結(jié)合界面的耐蝕性能低于復板的耐蝕性，原因如2.1所述，結(jié)合界面組織結(jié)構(gòu)、力學性能的不均勻性及缺陷等導致耐蝕性能的下降。

3 結(jié)論

(1) 復板Monel400在3.5%NaCl水溶液中腐蝕電流小，腐蝕電位高，具有良好的腐蝕性能。復合板結(jié)合界面的腐蝕性能明顯下降，接近基板Q345R的腐蝕性能。

(2) Monel400/Q345R復合板結(jié)合界面處組織結(jié)構(gòu)不均勻，存在熔化、漩渦及裂紋等缺陷，發(fā)生金屬元素的擴散，導致了結(jié)合界面耐蝕性降低。

[1]邢卓,趙杰.復合鋼板Monel 400/16MnDR的焊接[J].化工設備與管道,2008,45(2):57-61.

[2]韓麗青,林國標,王自東,等.TA2/316L爆炸復合板的點蝕行為[J].稀有金屬材料與工程,2009,38(3):492-495.

[3]Akbari Mousavi S A A,Farhadi Sartangi P.Experimental investigation of explosive welding of cp-titanium/AISI 304 stainless steel[J].Materials and Design,2009(30):459-468．

[4]Songa J，Kostkaa A，Veehmayerb M，et al.Hierarchical microstructure of explosive joints:Example of titanium to steel cladding[J].Materials Science and Engineering A，2011(528):2641-2647．

[5]廖東波,查五生,李偉.碳鋼-不銹鋼爆炸焊接復合板界面的顯微結(jié)構(gòu)[J].焊接學報,2012,33(5):99-102.

[6]鄭遠謀,黃榮光,陳世紅.鎳-不銹鋼爆炸復合板結(jié)合區(qū)的顯微研究[J].理化檢驗(物理分冊),1998,34(8):9-11.

[7]張鑫,張憲,孫汝東.Monel(400)合金在NaCl溶液中的電化學腐蝕行為[J].熱加工工藝,2014,43(8):91-94.

[8]鄭遠謀.爆炸焊接金屬復合材料的腐蝕與防護[J].腐蝕與防護,2002,23(2):68-72.

[9]翟偉國,王少剛,羅傳孝,等.TA2-Q345爆炸復合板的電化學腐蝕性能[J].石油化工腐蝕與防護,2013,30(1):20-23.

[10]夏鴻博,王少剛,賁海峰.鈦/鋁爆炸復合板的耐腐蝕性能研究[J].石油化工腐蝕與防護,2014,31(1):6-10.

(責任編輯:趙麗琴)

Reasearch on Electrochemical Corrosion Resistance of the Monel400/Q345R Explosive Welding Composite Plate

LI Bing1,LV Dechao1,LIN Dongsheng2,WANG Shuang3,ZHANG Gang1

(1.Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China;2.Great Wall motor Co.,Ltd,Baoding 071000,China；3.Liaoning Zhongwang Group Co.,Ltd,Liaoyang 111003,China)

The electrochemical corrosion resistance of Monel400/Q345R explosion welding composite plate is investigated with dynamic potential polarization curve and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) measurement respectively.The results show that Monel400 exhibits passivity,lower corrosion rates.The corrosion resistance is excellent.While the corrosion resistance of the explosive welding interface decreases,corrosion current increases.It is mainly due to the inhomogeneity of microstructure,chemical composition and mechanical property.

explosive welding composite plate;bond interface;microstructure;electrochemical corrosion

2015-11-09

李冰(1990—)，男，碩士研究生；通訊作者:張罡(1963—)，男，教授，博士，研究方向:爆炸焊接及材料表面先進改性技術(shù)。

1003-1251(2017)01-0013-04

TG456.6

A