X70管線(xiàn)鋼表面鎳基合金堆焊層/母材界面的顯微組織及氫致開(kāi)裂行為

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(1.中石化勝利油田分公司海洋采油廠(chǎng)，東營(yíng) 257237；2.安科工程技術(shù)研究院(北京)有限公司，北京 100083)

0 引 言

隨著全球能源需求的增長(zhǎng)，海洋油氣資源的開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為我國(guó)能源生產(chǎn)的重要組成部分。海洋中水下設(shè)施的腐蝕問(wèn)題已成為開(kāi)采設(shè)施用材料所需解決的首要問(wèn)題[1]。為了降低成本并解決腐蝕問(wèn)題，在管線(xiàn)鋼表面堆焊耐蝕合金的技術(shù)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[2-4]。

但是，當(dāng)耐蝕合金應(yīng)用于含有H2S或施加陰極保護(hù)的環(huán)境中時(shí)，陰極析氫反應(yīng)產(chǎn)生的氫容易進(jìn)入到金屬中，并在缺陷處誘發(fā)氫致開(kāi)裂，導(dǎo)致水下設(shè)施失效，如水下系統(tǒng)的管法蘭在-1 050 mV陰極保護(hù)下易產(chǎn)生氫致開(kāi)裂[5]。研究人員已對(duì)碳鋼表面堆焊層的氫致裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行了研究。SAKAI等[6]將氫致裂紋分為兩種類(lèi)型：Ⅰ 型裂紋沿著界面區(qū)的熔合線(xiàn)擴(kuò)展；Ⅱ 型裂紋沿著粗大奧氏體與其外側(cè)組織相連的晶界擴(kuò)展。在研究堆焊電流對(duì)碳鋼表面鎳基合金堆焊層顯微組織和耐磨性能的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，在熔合區(qū)馬氏體組織處會(huì)出現(xiàn)氫致裂紋[7-8]。但是，目前還無(wú)法確定氫致裂紋的萌生位置，以及氫致裂紋在鎳基合金堆焊層中的擴(kuò)展方式，因此研究堆焊層界面附近的顯微組織、裂紋的形核和擴(kuò)展行為對(duì)堆焊結(jié)構(gòu)設(shè)施的安全評(píng)估具有重要意義。為此，作者在X70管線(xiàn)鋼表面堆焊8 mm厚鎳基合金堆焊層，分析了堆焊層/母材界面顯微組織及元素的變化，并采用電解充氫方法研究了堆焊層氫致裂紋的萌生位置和擴(kuò)展方式。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為X70管線(xiàn)鋼管，規(guī)格為φ1 016 mm×17.5 mm，其顯微組織見(jiàn)圖1，為鐵素體和少量的珠光體；焊接材料為ERNiCrMo-3焊絲，直徑為2.5 mm。X70管線(xiàn)鋼與焊絲的化學(xué)成分見(jiàn)表1。采用線(xiàn)切割法在鋼管上切取尺寸為200 mm×150 mm×17.5 mm的試樣，對(duì)表面進(jìn)行處理使之呈金屬光澤。采用手工非熔化極惰性氣體鎢極保護(hù)焊(TIG)進(jìn)行堆焊，焊接電流為150 A，焊接電壓為22～25 V，焊接速度為25～30 mm·min-1，氣體流量為8 L·min-1。焊接前后試樣均未進(jìn)行熱處理。堆焊后試樣的尺寸為200 mm×158 mm×17.5 mm，堆焊層厚度為8 mm。

圖1 X70管線(xiàn)鋼的顯微組織Fig.1 Microstructure of X70 pipeline steel

材料CSiMnSPNiCrMoAlTiX70管線(xiàn)鋼0.0600.241.530.00090.0120.150.17ERNiCrMo-3焊絲0.0900.120.050.00100.01264.521.908.650.170.19堆焊層0.0190.270.430.00180.00835.916.306.490.180.17

按照J(rèn)B 4708-2000，在試樣中部堆焊層橫截面上取樣，采用等離子體原子發(fā)射光譜儀測(cè)堆焊層的化學(xué)成分，結(jié)果見(jiàn)表1。在母材和堆焊層的界面截取金相試樣，試樣尺寸為10 mm×10 mm×10 mm，先使用體積分?jǐn)?shù)5%硫酸溶液腐蝕堆焊層，然后用體積分?jǐn)?shù)4%硝酸酒精溶液腐蝕母材，之后在ECLIPSE LV150N型光學(xué)顯微鏡上觀(guān)察顯微組織，采用FEI Quanta 400型掃描電鏡(SEM)觀(guān)察母材和堆焊層的界面形貌，用附帶的League 2000型能譜儀(EDS)進(jìn)行成分分析。

采用DHV-1000Z型顯微硬度計(jì)測(cè)試樣截面上各區(qū)域的顯微硬度，載荷為9.8 N，保載時(shí)間為15 s。根據(jù)GB/T 2650-2008，在堆焊試樣上截取尺寸為55 mm×10 mm×3 mm的夏比V型缺口沖擊試樣，該試樣包括一半母材和一半堆焊層，取樣位置如圖2所示，缺口位置垂直于堆焊層橫截面，采用JB-300B型沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為-40 ℃。在FEI Quanta 400型掃描電鏡上觀(guān)察沖擊斷口形貌。

圖2 沖擊試樣取樣示意Fig.2 Diagram of impact sample sampling

在堆焊試樣上截取尺寸為50 mm×5 mm×3 mm的充氫試樣，母材和堆焊層厚度均為1.5 mm。尺寸為50 mm×5 mm的堆焊層表面為充氫工作面，將其他表面用環(huán)氧樹(shù)脂封裝后，將工作面用水磨砂紙逐級(jí)打磨后拋光，經(jīng)去離子水和酒精清洗并干燥后，在體積分?jǐn)?shù)5%H2SO4和質(zhì)量濃度2 g·L-1硫脲的溶液中進(jìn)行充氫試驗(yàn)，充氫電流為30 mA，由DH1719A-3型直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源提供，充氫時(shí)間為24 h。充氫后的試樣經(jīng)去離子水沖洗并吹干后，采用FEI Quanta 400型掃描電鏡觀(guān)察堆焊層裂紋形貌，利用League 2000型能譜儀分析夾雜物成分。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖3可見(jiàn)：堆焊后試樣中的熱影響區(qū)由粗晶區(qū)和細(xì)晶區(qū)組成，粗晶區(qū)靠近熔合線(xiàn)，組織為粗大的鐵素體，細(xì)晶區(qū)為完全相變區(qū)，組織為細(xì)小的鐵素體和少量的珠光體；堆焊層與母材之間存在一個(gè)寬約10 μm的熔合區(qū)；堆焊層組織為樹(shù)枝狀?yuàn)W氏體，且具有一定方向性，這是由凝固時(shí)的冷卻速率不同和合金元素的共同作用造成的；熔合區(qū)組織為馬氏體，該區(qū)域的組織形貌除了與成分有關(guān)，還與X70管線(xiàn)鋼和堆焊層的導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)。ERNiCrMo-3焊絲為鎳基合金，X70管線(xiàn)鋼的導(dǎo)熱系數(shù)大于鎳基合金的，在堆焊過(guò)程中，熔化的焊絲金屬與熔化的母材金屬相互混合，靠近固態(tài)母材處液態(tài)金屬的溫度較低、流動(dòng)性差，液態(tài)停留的時(shí)間較短，存在一個(gè)滯留層，該處熔化的母材與填充的焊絲金屬不能充分地混合，同時(shí)由于熔合區(qū)附近的過(guò)熱程度小，熔化的金屬在結(jié)晶時(shí)于固/液界面處形成較大的溫度梯度，這種溫度梯度導(dǎo)致馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度在室溫以上，因此冷卻時(shí)在熔合區(qū)形成馬氏體組織。

圖3 堆焊層/母材界面與熱影響區(qū)的顯微組織Fig.3 Microstructures of interface between surfacing layer and base metal (a) and heat affected zone (b)

圖4 母材和堆焊層界面的SEM形貌及元素線(xiàn)掃描結(jié)果Fig.4 SEM morphology (a) and linear scanning results of elements (b) of interface between base metal and surfacing layer

由圖4可以看出：堆焊層中的鉻、鎳、鉬含量與母材的差別較大，隨著距母材距離的增大，鉻、鎳、鉬元素含量增加，鐵元素含量降低，這說(shuō)明在焊接過(guò)程中，ERNiCrMo-3鎳基合金堆焊層中的鉻、鎳合金元素向母材中擴(kuò)散，母材中的鐵元素向堆焊層中擴(kuò)散。

2.2 沖擊斷口形貌

圖5 沖擊試樣斷口形貌Fig.5 Fracture morphology of impact sample

由圖5可以看出：堆焊層沖擊斷口呈韌性斷裂特征，韌窩淺且細(xì)??；母材斷口呈解理或準(zhǔn)解理脆性斷裂特征；熔合區(qū)斷口呈由淺韌窩+準(zhǔn)解理組成的具有變形特征的混合過(guò)渡斷裂特征。由于氫致裂紋在脆性組織中的擴(kuò)展速度比在韌性組織中的大得多，因此熔合區(qū)和熱影響區(qū)中的粗晶區(qū)可能會(huì)成為裂紋最容易擴(kuò)展的位置[9]。

圖7 堆焊層的裂紋和夾雜物形貌及夾雜物的EDS譜Fig.7 Micrographs of cracks and inclusions in surfacing layer and EDS spectra of inclusions: (a) morphology of cracks on the surface; (b) EDS spectrum of position 1; (c) hydrogen blistering; (d) inclusions and secondary cracks; (e) EDS spectrum of position 2 and (f) morphology of cracks on longitudinal section

2.3 硬度分布

由圖6可知：母材硬度最低，堆焊層和熔合區(qū)的硬度偏高；從母材到熔合線(xiàn)區(qū)域的硬度呈整體上升趨勢(shì)，在熔合區(qū)內(nèi)達(dá)到最高值。堆焊層中的奧氏體組織和熔合區(qū)中的馬氏體組織是硬度升高的主要原因。

圖6 母材和堆焊層界面的顯微硬度分布Fig.6 Micro-hardness distribution of interface between basemetal and surfacing layer

2.4 堆焊層的氫致開(kāi)裂行為

由圖7可知：在室溫下電解充氫24 h后，堆焊層表面出現(xiàn)了典型的氫致裂紋，裂紋在A(yíng)l2O3和單質(zhì)硅的夾雜物處(箭頭所指位置)萌生，并伴有直徑10 μm氫鼓泡的產(chǎn)生，裂紋萌生后沿枝晶間隙擴(kuò)展并進(jìn)入奧氏體相，表現(xiàn)為穿晶和沿晶的擴(kuò)展方式，與SAVAGE等[10]的研究結(jié)果一致；裂紋呈不規(guī)則擴(kuò)展，擴(kuò)展深度約60 μm，未到達(dá)母材/堆焊層界面，如圖7(f)所示。在電解充氫時(shí)，氫原子向金屬內(nèi)部擴(kuò)散，溶解在金屬中的氫在某些特殊區(qū)域(如夾雜物界面、第二相界面或空位團(tuán))會(huì)還原成氫原子，氫原子直接結(jié)合成為氫氣。當(dāng)局部區(qū)域的氫濃度很高，并當(dāng)氫氣壓力等于金屬原子鍵結(jié)合力時(shí)，就會(huì)造成局部區(qū)域的原子鍵斷裂，從而形成微裂紋。已有研究表明，在陰極充氫條件下，氫氣的分壓可達(dá)到500 MPa。當(dāng)氫氣壓力達(dá)到臨界值時(shí)，氫鼓泡沿著夾雜物與基體的界面處生成并導(dǎo)致裂紋的萌生[11]。

3 結(jié) 論

(1) 在X70管線(xiàn)鋼表面鎳基合金堆焊層/母材界面熱影響區(qū)中細(xì)晶區(qū)的組織為細(xì)小鐵素體和少量珠光體，靠近熔合線(xiàn)粗晶區(qū)的組織為粗大的鐵素體，熔合區(qū)的組織為馬氏體，堆焊層的組織為樹(shù)枝狀?yuàn)W氏體；隨著距X70管線(xiàn)鋼母材距離的增大，鉻、鎳、鉬元素含量增加，鐵元素含量降低。

(2) 堆焊層沖擊斷口呈韌性斷裂特征，母材斷口具有解理或準(zhǔn)解理脆性斷裂特征，熔合區(qū)斷口呈混合過(guò)渡斷裂特征,由淺韌窩+準(zhǔn)解理組成,具有變形特征；堆焊層和熔合區(qū)的硬度均高于母材的。

(3) 在室溫下電解充氫24 h后，堆焊層表面的氫致裂紋在A(yíng)l2O3和單質(zhì)硅夾雜物處萌生，擴(kuò)展方式為沿晶和穿晶擴(kuò)展，夾雜物是氫致裂紋及氫鼓泡萌生的主要原因，裂紋的擴(kuò)展深度約60 μm，未到達(dá)母材/堆焊層界面處。

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