347不銹鋼表面堆焊690鎳基合金電化學(xué)腐蝕性能研究

陳　峰，　劉國(guó)輝，　林巧力，　曹　睿，　董　浩，　車洪艷

(1．蘭州理工大學(xué) 有色金屬先進(jìn)加工與再利用省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730050；

2．安泰科技股份有限公司，北京 100081； 3．河北省熱等靜壓工程技術(shù)研究中心，河北涿州 072750)

347不銹鋼表面堆焊690鎳基合金電化學(xué)腐蝕性能研究

陳峰1，劉國(guó)輝2,3，林巧力1，曹睿1，董浩2,3，車洪艷2,3

(1．蘭州理工大學(xué) 有色金屬先進(jìn)加工與再利用省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730050；

2．安泰科技股份有限公司，北京 100081； 3．河北省熱等靜壓工程技術(shù)研究中心，河北涿州 072750)

摘要：利用鎢極氬弧焊(TIG)堆焊工藝在347不銹鋼鋼板表面堆焊690鎳基合金，采用電化學(xué)測(cè)量技術(shù)，在室溫、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的氯化鈉溶液中，對(duì)347不銹鋼基體、690鎳基合金堆焊層以及2種合金堆焊接頭的電化學(xué)腐蝕性能進(jìn)行了研究. 借助掃描電鏡(SEM)及其附帶的能譜儀(EDS)對(duì)堆焊接頭的微觀組織和成分進(jìn)行了分析，并通過(guò)光學(xué)顯微鏡來(lái)觀察腐蝕后的表面形貌，研究堆焊接頭的腐蝕機(jī)理. 結(jié)果表明：690鎳基合金堆焊層的耐蝕性優(yōu)于347不銹鋼基體，347不銹鋼基體的腐蝕速率約為堆焊層的8.4倍；堆焊接頭的耐蝕性最差，其腐蝕速率約為堆焊層的11.8倍；堆焊層在熔合區(qū)附近對(duì)基體中Cr含量的稀釋是導(dǎo)致堆焊后基體腐蝕加劇的主要原因.

關(guān)鍵詞：堆焊接頭； 電化學(xué)腐蝕； 表面形貌； 347不銹鋼； 690鎳基合金

20世紀(jì)70年代，美國(guó)開發(fā)了耐應(yīng)力腐蝕優(yōu)良的690鎳基合金，該合金被認(rèn)為是繼18-8不銹鋼、600鎳基合金和800鎳基合金之后，用于壓水堆蒸發(fā)器的最佳耐應(yīng)力腐蝕材料[1]. 690鎳基合金不僅在氫氧化鈉溶液中具有比Inconel 600、Incoloy 800和304L不銹鋼更優(yōu)異的耐應(yīng)力腐蝕開裂性能，還具有較高的強(qiáng)度、良好的冶金穩(wěn)定性和優(yōu)良的加工特性[2]，因此在核電領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用.

某型號(hào)核電站屏蔽電機(jī)主泵的關(guān)鍵部件——推力盤是通過(guò)在347不銹鋼圓盤表面的溝槽中堆焊690鎳基合金制造而成的，其目的是為了增強(qiáng)該核電站的推力盤在高溫下的耐磨耐蝕性. 目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鎳基合金耐蝕性方面的研究較多[3-6]，但對(duì)不銹鋼和鎳基合金焊接接頭耐蝕性的研究卻很少. 該推力盤的運(yùn)行環(huán)境極為苛刻，容易發(fā)生各種腐蝕破壞現(xiàn)象. 點(diǎn)蝕是其中最為重要的一種腐蝕形式，而Cl-易造成不銹鋼和鎳基合金點(diǎn)蝕失效，從而嚴(yán)重影響工程構(gòu)建的安全性.另外,由于工藝因素的影響較復(fù)雜，不銹鋼和鎳基合金以及這2種材料焊接后的腐蝕問(wèn)題不得不引起重視. 筆者針對(duì)347不銹鋼、690鎳基合金堆焊層以及這2種合金堆焊接頭的耐蝕性進(jìn)行研究，具有一定的理論意義和工程價(jià)值.

1實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

采用鎢極氬弧焊(TIG)堆焊工藝，選用直徑為1 mm的690鎳基合金焊絲對(duì)板厚為30 mm的347不銹鋼表面堆焊5～6 mm的690鎳基合金，焊接裝置如圖1所示.

圖1　焊接示意圖

堆焊前對(duì)347不銹鋼表面的氧化膜、油污和水分等進(jìn)行清理. 焊接工藝參數(shù)如下：焊接電流為160～170 A，焊接電壓為14～16 V，送絲速度為1 m/min，焊接速度為15 cm/min，氬氣體積流量為15 L/min. 焊前無(wú)預(yù)熱，每焊一道后清理堆焊層表面，焊后空冷，焊接時(shí)層間溫度控制在160 ℃以下. 母材和焊絲的化學(xué)成分見表1.

表1　母材和焊絲的化學(xué)成分

1.2實(shí)驗(yàn)方法

堆焊完畢后，宏觀檢查堆焊層，表面成形良好，未發(fā)現(xiàn)任何焊接缺陷,堆焊層表面經(jīng)滲透檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)裂紋. 然后切取3組尺寸大小均為10 mm×10 mm×3 mm的試樣，每組試樣各3個(gè)，試樣1為347不銹鋼基體，試樣2為690鎳基合金堆焊層，試樣3為2種合金的堆焊接頭(堆焊層與基體各占一半). 試樣背面經(jīng)錫焊引出銅導(dǎo)線，用環(huán)氧樹脂密封，留出10 mm×10 mm的工作面積. 電化學(xué)實(shí)驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)的三電極體系，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為Pt電極，采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的氯化鈉溶液作為電解液測(cè)量. 實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用CHI660E電化學(xué)工作站，以20 mV/min的掃描速率，采取相應(yīng)的電位范圍來(lái)測(cè)試電流的變化；進(jìn)行電流、電位數(shù)據(jù)采集，通過(guò)數(shù)據(jù)處理得到電流與電位變化的Tafel曲線圖. 實(shí)驗(yàn)前將試樣在溶液中浸泡10 min后開始測(cè)試，以便腐蝕溶液均勻、穩(wěn)定地侵入試樣被測(cè)表面.

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1電化學(xué)測(cè)試結(jié)果

3組不同試樣在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的氯化鈉溶液中所測(cè)得的Tafel曲線如圖2所示. 采用Corrview軟件對(duì)曲線進(jìn)行擬合，得到該組實(shí)驗(yàn)的電化學(xué)特征參數(shù)(見表2).

從圖2和表2可以看出，3組試樣自腐蝕電位由大到小排序?yàn)椋篍corr堆焊層>Ecorr基體>Ecorr堆焊接頭，自腐蝕電位正值越大，其耐蝕性越好. 自腐蝕電流密度Icorr表示試樣在溶液中的抗腐蝕能力，自腐蝕電流密度越小，材料表面的抗腐蝕能力越強(qiáng)[7]，3組試樣自腐蝕電流密度由大到小排序?yàn)椋篒corr堆焊接頭>Icorr基體>Icorr堆焊層.從3組試樣自腐蝕電流密度的具體數(shù)值來(lái)看，堆焊接頭的腐蝕速率約為堆焊層的11.8倍，基體腐蝕速率約為堆焊層的8.4倍. 點(diǎn)蝕電位越小，說(shuō)明其鈍化膜的穩(wěn)定性越差，越容易被擊破而發(fā)生點(diǎn)蝕，3組試樣點(diǎn)蝕電位由大到小排序?yàn)?Eb堆焊層>Eb基體>Eb堆焊接頭. 由以上幾個(gè)特征參數(shù)的變化規(guī)律可知，690鎳基合金堆焊層的耐蝕性最好，347不銹鋼基體次之，堆焊接頭最差.

圖2　3組試樣的Tafel曲線

Tab.2Characteristic parameters of the Tafel curves concerning three samples

試樣編號(hào)自腐蝕電位Ecorr/V自腐蝕電流密度lg[Icorr/(A·cm-2)]點(diǎn)蝕電位Eb/V1-0.4475.058×10-60.3792-0.3826.016×10-70.5223-0.4627.160×10-60.338

2.2堆焊接頭成分與微觀組織分析

切取少量堆焊層，經(jīng)草酸電解腐蝕后，觀察其微觀組織，結(jié)果如圖3所示.圖3(a)為基體與堆焊層結(jié)合區(qū)的SEM形貌，可以看出在基體與堆焊層結(jié)合區(qū)有一沿基體表面垂直生長(zhǎng)的平面結(jié)晶帶，靠近平面結(jié)晶帶為沿散熱相反方向生長(zhǎng)的典型柱狀樹枝晶組織.圖3(b)為堆焊層中部組織，可以看出堆焊層中部仍主要為柱狀樹枝晶，但變得較為細(xì)小且取向雜亂，說(shuō)明在該區(qū)域柱狀樹枝晶開始向等軸樹枝晶轉(zhuǎn)變. 圖4為堆焊層界面主要元素的EDS掃描成分曲線.從圖4可以看出,堆焊層中的Ni和Cr均向基體發(fā)生了明顯的擴(kuò)散現(xiàn)象，且在靠近熔合線左側(cè)的堆焊層中，Cr和Fe的掃描成分曲線出現(xiàn)一定程度的波動(dòng)，這是由于Cr和Fe在焊接過(guò)程中擴(kuò)散不均勻所致.

(a) 堆焊層邊緣

(b) 堆焊層中心

圖4　堆焊層界面EDS掃描成分曲線

Fig.4Elemental distribution at the interface between surfacing layer and substrate

2.3腐蝕后表面形貌與分析

將3組電化學(xué)腐蝕過(guò)的試樣經(jīng)超聲波清洗、吹干后，在光鏡下觀察其腐蝕后表面形貌.試樣1和試樣2的腐蝕后表面形貌分別如圖5(a)和圖5(b)所示.試樣3腐蝕后，其位于347不銹鋼側(cè)、堆焊層界面以及690鎳基合金堆焊層側(cè)的表面形貌分別如圖6(a)、圖6(b)和圖6(c)所示.

對(duì)奧氏體不銹鋼來(lái)說(shuō)，Cl-是構(gòu)成應(yīng)力腐蝕(SCC)的敏感之源,并對(duì)奧氏體不銹鋼的鈍化膜起到一個(gè)強(qiáng)烈的活化作用；當(dāng)Cl-吸附在不銹鋼鈍化膜的薄弱位置上，并取代了O2-時(shí)，金屬的鈍態(tài)就會(huì)受到破壞,鈍化膜中的Fe3+、Cr3+就會(huì)加快逸出，隨后會(huì)出現(xiàn)一系列的點(diǎn)蝕破壞現(xiàn)象[8-9]. 從圖5可以看出，347不銹鋼基體表面和690鎳基合金堆焊層表面均發(fā)生了點(diǎn)蝕現(xiàn)象；基體表面上的蝕坑大小基本在100 μm以內(nèi)，而堆焊層表面只出現(xiàn)了10 μm左右的蝕坑，可見690鎳基合金堆焊層在氯化鈉溶液中的耐蝕性遠(yuǎn)強(qiáng)于347不銹鋼基體. 鋼的抗點(diǎn)蝕能力與其含有的Cr、Mo、N元素有密切關(guān)系，Cr元素主要促進(jìn)鋼在氧化性介質(zhì)中表面形成富Cr氧化膜，該氧化膜可以阻止金屬的離子化而產(chǎn)生鈍化作用，提高金屬的耐均勻腐蝕性能. 合金的耐點(diǎn)蝕當(dāng)量計(jì)算公式為：P耐點(diǎn)蝕當(dāng)量=w(Cr)+3.3×w(Mo)+16×w(N)[10]. 堆焊層中Cr含量相對(duì)較高，耐點(diǎn)蝕當(dāng)量值較大，相應(yīng)的抗點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕的能力較強(qiáng)，又由于碳含量的降低也可以提高合金抗點(diǎn)蝕能力，因此690鎳基合金堆焊層相對(duì)而言具有較優(yōu)良的抗點(diǎn)蝕能力.

(a) 試樣1

(b) 試樣2

(a) 690鎳基合金堆焊層側(cè)

(b) 堆焊層界面處

(c) 347不銹鋼側(cè)

從圖6可以看出，位于堆焊接頭690鎳基合金堆焊層側(cè)的蝕坑極為細(xì)小，而靠近堆焊層界面處的蝕坑稍有變大；位于堆焊接頭不銹鋼基體側(cè)出現(xiàn)了很大的蝕坑，而靠近界面處的蝕坑卻變小. 結(jié)合圖4可知，堆焊層中的Cr元素向不銹鋼基體發(fā)生了擴(kuò)散，使靠近界面的堆焊層出現(xiàn)貧Cr現(xiàn)象，耐點(diǎn)蝕能力相對(duì)減弱；而靠近界面的基體出現(xiàn)富Cr現(xiàn)象，耐點(diǎn)蝕能力相對(duì)增強(qiáng). 由此可知，Cr含量直接決定著合金的耐蝕性，鈍化膜中的Cr含量越高，則抗點(diǎn)蝕能力越強(qiáng).

對(duì)比圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn)，位于堆焊接頭堆焊層側(cè)出現(xiàn)了比圖5(b)中更為細(xì)小的蝕坑，而靠近不銹鋼基體側(cè)卻出現(xiàn)了比圖5(a)中更大的蝕坑. 出現(xiàn)此差異的原因分析如下：試樣1和試樣2成分基本均勻，鈍化后形成了成分較為均勻的鈍化膜；而試樣3由于各區(qū)域Cr含量的差異，Cr含量越低的區(qū)域鈍化后所形成的鈍化膜穩(wěn)定性越差，其抗點(diǎn)蝕能力也就越差,故Cr含量較低的區(qū)域，其鈍化膜優(yōu)先被擊破，進(jìn)而發(fā)生了嚴(yán)重的點(diǎn)蝕，而Cr含量相對(duì)較高的區(qū)域，其鈍化膜受到了一定的保護(hù)，因此出現(xiàn)了上述現(xiàn)象.

通過(guò)對(duì)3組不同試樣腐蝕后的形貌進(jìn)行觀察與分析，發(fā)現(xiàn)其與Tafel曲線測(cè)試結(jié)果一致，可以得出：690鎳基合金堆焊層的耐蝕性優(yōu)于347不銹鋼基體，且這2種合金堆焊接頭的耐蝕性降低.因此，在實(shí)際應(yīng)用中，690鎳基合金堆焊層可以有效地提高工件抗Cl-的腐蝕性能，但是若堆焊層存在缺陷，使堆焊層與不銹鋼基體同時(shí)暴露于腐蝕介質(zhì)時(shí)，則Cl-會(huì)加速對(duì)不銹鋼基體的腐蝕.

3結(jié)論

(1) 應(yīng)用TIG堆焊,結(jié)合優(yōu)化的工藝參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)690鎳基合金在347不銹鋼表面的有效堆焊，且堆焊層致密，不存在明顯缺陷.

(2) 690鎳基合金堆焊層的耐蝕性最好，347不銹鋼基體次之，堆焊接頭最差.堆焊接頭的腐蝕速率約為堆焊層的11.8倍，基體腐蝕速率約為堆焊層的8.4倍.

(3) 690鎳基合金堆焊層可有效地提高工件表面的耐蝕性，但不銹鋼基體一旦與堆焊層同時(shí)暴露于腐蝕介質(zhì)時(shí)，由于堆焊層對(duì)不銹鋼基體中Cr含量的稀釋，將明顯降低基體的抗Cl-腐蝕性能.

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下期待發(fā)表論文摘要預(yù)報(bào)

高溫氧氣發(fā)生器在W火焰鍋爐中的點(diǎn)火特性

閆高程，齊心，任婷，劉石

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院， 北京 102206)

摘要： 針對(duì)燃用無(wú)煙煤的W火焰鍋爐在冷態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中要消耗大量燃油的問(wèn)題，提出了一種高溫氧氣直接點(diǎn)火技術(shù)：用少量燃油將氧氣加熱至高溫狀態(tài)，然后用高溫氧氣直接點(diǎn)燃無(wú)煙煤煤粉氣流.利用熱態(tài)點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算方法證明了該技術(shù)的可行性和有效性.結(jié)果表明：利用高溫氧氣發(fā)生器可將氧氣安全可靠地加熱至最高可達(dá)1 450 ℃的高溫狀態(tài)；在純氧氛圍的作用下，燃油具有瞬間燃盡的特點(diǎn)；高溫氧氣發(fā)生器出口處的溫度場(chǎng)和氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)均勻分布；當(dāng)高溫氧氣發(fā)生器的點(diǎn)火熱功率為700 kW時(shí)，無(wú)煙煤煤粉氣流的火焰溫度達(dá)到1 250 ℃，火焰長(zhǎng)度超過(guò)8 m.

Electrochemical Corrosion Property of Stainless Steel 347 with Ni-based Alloy 690 Surface Cladding

CHENFeng1,LIUGuohui2,3,LINQiaoli1,CAORui1,DONGHao2,3,CHEHongyan2,3

(1.State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Non-ferrous Metals, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China; 2. Advanced Technology & Materials Co., Ltd.,Beijing 100081, China; 3. Engineering and Technology Research Center of Hot Isostatic Pressing,Zhuozhou 072750, Hebei Province, China)

Abstract：Ni-based alloy 690 was deposited on the surface of stainless steel 347 by using TIG surfacing procedure, while electrochemical corrosion properties of the substrate stainless steel 347, surfacing layer alloy 690 and the welded joint were analyzed by electrochemical measurement technology in a 3.5% NaCl solution at room temperature. To study the corrosion mechanism of the welded joint, the microstructure and composition were analyzed by SEM and EDS, and the surface morphology after corrosion was characterized by optical microscope. Results show that the corrosion rate of the base metal and the welded joint is respectively 8.4 times and 11.8 times of the surfacing layer, indicating that the surfacing layer Ni-based alloy 690 has the strongest corrosion resistance, followed by the base metal stainless steel 347, and the welded joint has the poorest corrosion resistance. The dilution of Cr by surfacing layer in the base metal near fusion zone of welded joint is the main reason leading to the aggravated corrosion of the substrate stainless steel 347.

Key words：surfacing joint; electrochemical corrosion; surface morphology; stainless steel 347; Ni-based alloy 690

收稿日期：2015-06-17

修訂日期：2015-06-30

基金項(xiàng)目：國(guó)家重大科技專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2015zx06002002)

作者簡(jiǎn)介：陳峰(1990-)，男，湖北天門人，碩士，研究方向?yàn)槎押笇幽湍ツ臀g性.

文章編號(hào)：1674-7607(2016)04-0326-05中圖分類號(hào)：TG457

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A學(xué)科分類號(hào)：430.20

車洪艷(通信作者)，女，博士，電話(Tel.)：13919414827;E-mail: chehongyan@atmcn.com.