熱處理工藝對鎳基合金/鋼復(fù)合板性能的影響

劉燕平，趙 惠，李 瑩，朱 磊

(1.西安天力金屬復(fù)合材料有限公司， 西安 710201；2.陜西省層狀金屬復(fù)合材料工程研究中心， 西安 710201；3.國地聯(lián)合工程研究中心， 西安 710201)

鎳/鋼爆炸復(fù)合板有效綜合了鋼基體的強(qiáng)度和鎳復(fù)層的耐蝕性，節(jié)省了鎳合金材料。但是鎳/鋼復(fù)合板的熱處理一直是影響其綜合質(zhì)量的關(guān)鍵點(diǎn)，主要體現(xiàn)在界面顯微硬度偏高，復(fù)層耐蝕性不達(dá)標(biāo)等[1-7]。文章以復(fù)層帶焊縫的鎳基合金C-276復(fù)合板為研究對象，對不同熱處理工藝下復(fù)合板性能進(jìn)行對比分析。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方案設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)復(fù)層選用材料為厚度5 mm的鎳基合金，其牌號為C276(該合金化學(xué)成分見表1)，拼焊方式為等離子自動(dòng)焊，焊絲選用配套的ERNiCrMo-4，焊縫經(jīng)RT檢測，無焊接缺陷存在，基板選用厚度為46 mm的鋼板，牌號為Q345R，爆炸復(fù)合后，復(fù)合板試板的規(guī)格為5(復(fù)層厚度)/46(基層厚度)×380×1 000 mm。

表1 C276合金的化學(xué)成分 %

利用OLYMPUS GX41光學(xué)顯微鏡及JSM-6700F掃描電鏡觀察試樣微觀組織形貌，采用MODEL55100型電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，在LWS-160雙工位鋼筋冷彎試驗(yàn)機(jī)上完成復(fù)合板彎曲試驗(yàn)，HWY-30型低溫水浴完成腐蝕速率測定試驗(yàn)等。

據(jù)文獻(xiàn)[4]顯示：鎳基合金C-276在600～950 ℃溫度區(qū)間內(nèi)具有亞穩(wěn)定性能，在此敏化溫度區(qū)長時(shí)間滯留，可能受到敏化作用，產(chǎn)生晶間腐蝕敏感性，文章結(jié)合常用熱處理制度，對復(fù)合板進(jìn)行熱處理，工藝方案設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 C276/Q345R復(fù)合板熱處理工藝方案

注：噴水—保溫結(jié)束后，放置于空氣中并配以霧狀水加速冷卻。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1是復(fù)層帶焊縫的鎳/鋼復(fù)合板的外觀。從圖中可以看出，爆炸焊接后的復(fù)合板從外觀看，結(jié)合良好，無分層等缺陷。從復(fù)合板的超聲波(UT檢測) 結(jié)果來看：復(fù)合板結(jié)合良好，達(dá)到ASME 264-2011標(biāo)準(zhǔn)中1級要求。

圖1 C276/Q345R爆炸復(fù)合板試板

針對不同熱處理工藝下的復(fù)合板試板，檢驗(yàn)各自的力學(xué)性能，檢測結(jié)果見表3?？梢钥闯觯何宸N熱處理工藝下，復(fù)合板的強(qiáng)度、彎曲(彎心直徑為4D，彎曲角度為180°)、沖擊、剪切性能均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

復(fù)合板界面硬度高主要是受爆炸復(fù)合過程中爆炸硬化的影響，從表3可以看出：隨著熱處理溫度的升高，復(fù)合板的加工硬化現(xiàn)象得到明顯改善，界面處的顯微硬度總體呈現(xiàn)下降態(tài)勢，且熱處理溫度在1 000 ℃、1 100 ℃時(shí)，界面處顯微硬度已接近基體(300HV+)硬度。熱處理溫度不僅影響復(fù)合板界面硬度，還影響復(fù)合板的剪切強(qiáng)度，從剪切結(jié)果來看，正火處理時(shí)，復(fù)合板的剪切強(qiáng)度雖有所下降，但是均高于標(biāo)準(zhǔn)要求200%以上。

表3 復(fù)合板性能結(jié)果匯總表

復(fù)合板的耐蝕性(檢驗(yàn)方法選用ASTM G28 B法)是被關(guān)注的另一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，從表3可以看出：除1 000 ℃正火工藝下，復(fù)層的耐蝕性不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求外，其余熱處理制度下復(fù)層的耐蝕性均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。結(jié)合顯微組織分析，1 000 ℃工藝下，復(fù)層析出大量金屬間相，這些相的析出增大了晶界和晶粒本身在合金成分和結(jié)構(gòu)方面的不均勻性，導(dǎo)致其腐蝕性能降低，從圖2的顯微組織圖可見，母材晶界可現(xiàn)明顯晶間腐蝕裂紋和晶界加寬現(xiàn)象，說明試樣存在較嚴(yán)重的晶間腐蝕；觀察晶間腐蝕實(shí)驗(yàn)后試樣的外觀(如圖3)可見，整個(gè)復(fù)層布滿了腐蝕孔洞，且焊縫位置更為集中，該工藝下試板宏觀與微觀觀察結(jié)果與耐蝕性實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的，經(jīng)能譜分析(見圖4)，該析出相成分以Mo、W為主。

圖2 3#試板復(fù)層顯微組織

圖3 3#試板復(fù)層腐蝕后外觀

ElementWeight/%Atomic/%Cr K12.6217.74Fe K4.435.79Ni K34.2642.64Mo L39.7230.26W M8.983.57Totals100.00

對于1 100 ℃溫度下的正火處理，對比空冷和水冷狀態(tài)下試樣的顯微組織(見圖5)可見，空冷條件下組織中二次相析出的量較多，這主要是因?yàn)榭绽錉顟B(tài)下，C-276冷卻速率較慢，在敏化溫度(600～950 ℃)區(qū)間停留時(shí)間較長，導(dǎo)致更多的二次相析出，但從腐蝕速率實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，仍完全滿足標(biāo)準(zhǔn)≤2.75 mm/Y的要求。

圖5 不同冷卻方式下的C276顯微組織

綜上所述：對于復(fù)層為C-276的復(fù)合板，為了最大限度的改善爆炸硬化現(xiàn)象，降低界面硬度，并且有效保證復(fù)層的耐蝕性，應(yīng)對復(fù)合板進(jìn)行1 100 ℃下的正火，并配合盡可能大的冷卻速率，減少二次相析出。

3 結(jié)論

1) C276/Q345R爆炸復(fù)合板試板在低溫(480～550 ℃)退火或高溫(1 100 ℃)正火，各項(xiàng)性能均能達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2) 采用低溫(480～550 ℃)退火時(shí)，復(fù)合板爆炸硬化改善不充分，使復(fù)合板界面顯微硬度過高，不利于后續(xù)加工。

3) 為了最大限度的改善爆炸硬化現(xiàn)象，降低界面硬度，并且有效保證復(fù)層的耐蝕性，應(yīng)對復(fù)合板進(jìn)行1 100 ℃加熱后正火，并配合盡可能大的冷卻速率，以減少二次相的析出。