C-276合金TIG焊接頭組織與性能

尚立寶，黃忠寶，許 宏

（上海板換機械設(shè)備有限公司，上海 201508）

0 前言

C-276合金是在Ni、Cr、Mo系列鎳基合金基礎(chǔ)上添加微量W和Fe等元素改進的具有固溶強化的面心立方結(jié)構(gòu)的高溫合金。該合金不僅耐鹽酸腐蝕性能優(yōu)異，還具有良好的抗點蝕能力，被譽為“萬能”耐蝕合金[1-3]。對金屬結(jié)構(gòu)材料而言，其在熔焊過程中自身的熱物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)會發(fā)生劇烈變化，從而影響金屬材料的性能。目前，關(guān)于C-276合金的高溫蠕變性能、高溫析出相以及抗各種腐蝕介質(zhì)等機理方面國內(nèi)外已進行了較為詳盡的研究[4-7]。該合金中Mo、Cr等元素含量較高，使得其在焊接、熱處理等過程中易發(fā)生元素偏析，進而導(dǎo)致接頭組織存在差異，而顯微組織從根本上決定了接頭性能，并最終改變結(jié)構(gòu)件的服役性能。為此本研究在結(jié)合C-276合金TIG焊接頭顯微組織特點的基礎(chǔ)上研究接頭顯微硬度的分布特征，并采用電化學(xué)測試方法比較焊縫和母材在酸性、中性環(huán)境中的耐蝕性，以期為該合金的推廣應(yīng)用提供分析數(shù)據(jù)。

1 試驗材料和方法

試驗材料為C-276合金，尺寸500mm×150mm×1.5mm，主要化學(xué)成分如表1所示。采用Panasonic YC-300WX4焊機進行不填絲的單面焊雙面成型，保護氣為φ（H e）25%+φ（Ar）75%混合氣。焊接工藝參數(shù)如表2所示。焊前采用丙酮、酒精清潔待焊表面，采用電火花線切割加工接頭試樣。金相試樣經(jīng)王水腐蝕后采用4XC-PC光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織，利用維氏硬度計測量接頭各區(qū)域顯微硬度。電化學(xué)試樣尺寸15mm×4mm×1.5mm，母材與焊縫各制備3組平行試樣，測試前均進行機械研磨和拋光，飽和甘汞為參比電極，鉑片為輔助電極，掃描速率2mV/s。腐蝕介質(zhì)溶液成分如表3所示，鹽酸和NaCl級別為分析純，溶劑為去離子水。

表1 C-276合金主要化學(xué)成分Table 1 Chem ical com position of C-276 alloy %

表2 焊接工藝參數(shù)Table 2 Welding parameters

表3 腐蝕介質(zhì)配制Table 3 Corrosion liquid preparation

2 結(jié)果與分析

2.1 接頭顯微組織

接頭各區(qū)域顯微組織如圖1所示。由圖1a可知，焊縫為呈柱狀和細小等軸狀的單一奧氏體，而緊鄰熔合區(qū)的熱影響區(qū)則由等軸奧氏體晶粒組成，且在晶界處分布尺寸不一的析出物，母材組織為等軸奧氏體并伴有退火孿晶（見圖1c）。對比母材與熱影響區(qū)組織可知，由于焊接熱循環(huán)的快速加熱和冷卻，使得靠近熔合區(qū)的熱影響區(qū)不僅奧氏體晶粒發(fā)生了長大，同時在晶界及其附近區(qū)域形成了不同形貌的塊狀和條狀析出物。

2.2 接頭顯微硬度

接頭各區(qū)域顯微硬度分布如圖2所示。母材硬度最高，約為310 HV；熱影響區(qū)次之，約為290 HV；而具有柱狀和等軸奧氏體的焊縫顯微硬度最低，約為260 HV。結(jié)合圖1中各區(qū)域顯微組織特點可知，這是由于母材經(jīng)熔化形成液態(tài)金屬的過程中，Cr、Mo、W等原固溶強化基體的合金元素在熔池內(nèi)重新分配，造成元素偏析，破壞了母材原有的固溶效果。同時，新形核和長大的焊縫柱狀和等軸奧氏體內(nèi)未能形成孿晶等亞結(jié)構(gòu)，因此與母材相比，焊縫內(nèi)部的晶格畸變程度降低，表現(xiàn)為其顯微硬度最低。而在熱影響區(qū)，雖然奧氏體晶粒受熱粗化，降低了該區(qū)域的畸變程度，但在其晶界及附近位置生成了許多塊狀和條狀的高硬度金屬間化合物[8-9]，因此熱影響區(qū)的硬度高于焊縫。

圖1 C-276合金接頭顯微組織Fig.1 M icrostructure of different sections in joint

2.3 焊縫與母材耐蝕性比較

焊縫與母材在酸性和中性環(huán)境下的極化曲線如圖3所示。由圖3a可知，隨著電位正移，電流密度開始下降，到達最小值后開始進入陽極溶解，此時腐蝕速率很快。隨后焊縫與母材形成了鈍化區(qū)，0～1.0 V之間為穩(wěn)定鈍化區(qū)。焊縫與母材處于該區(qū)域時的電流密度較小，腐蝕速率相對較小。隨著電位繼續(xù)增大，在約1 V時鈍化膜被破壞，焊縫與母材進入過鈍化區(qū)。對比酸性環(huán)境下焊縫與母材陽極極化行為可知，母材的鈍化膜穩(wěn)定性好，而焊縫則發(fā)生了“鈍化-活化”交替過程，進而導(dǎo)致電流出現(xiàn)震蕩。在中性環(huán)境中（見圖3b），在-0.3～-0.25 V階段，焊縫與母材均處于極化腐蝕階段，腐蝕速率很快。隨著電位正移，焊縫與母材逐漸進入穩(wěn)定區(qū)。在約0.4 V時，焊縫鈍化膜被破壞，進入過鈍化區(qū)，而母材則在約0.6 V時因“鈍化-活化”交替而出現(xiàn)電流震蕩，隨后進入過鈍化區(qū)。

圖2 C-276合金接頭顯微硬度分布Fig.2 M icrohardness of joint of C-276 alloy

不同環(huán)境下焊縫與母材的電化學(xué)參數(shù)如表4所示。可以看出，在酸性環(huán)境中，母材的自腐蝕電位為-0.141 97 V，焊縫的自腐蝕電位為-0.102 99 V，略高于母材，而焊縫實際發(fā)生腐蝕的電流密度比母材大一個數(shù)量級，腐蝕速率明顯大于母材。由腐蝕學(xué)原理可知，從熱力學(xué)角度來看，自腐蝕電位越低，腐蝕傾向越大；從動力學(xué)方面來看，合金腐蝕電流越大，腐蝕速率越快則耐蝕性越差[10]。由此可知，酸性環(huán)境中焊縫的耐蝕性弱于C-276母材。在中性環(huán)境中，焊縫和母材的自腐蝕電位都約為-0.3 V，從熱力學(xué)上分析，兩者在該環(huán)境中的腐蝕趨勢相差不大。而從動力學(xué)的角度來看，焊縫與母材的腐蝕電流密度均是在一個數(shù)量級，焊縫的腐蝕速率僅略高于母材，表明焊縫與母材在中性環(huán)境中的耐蝕性能相近。綜合來看，酸性環(huán)境中焊縫的耐蝕性弱于母材，而在中性環(huán)境中兩者耐蝕性相差不大。C-276合金中含有較高的Cr、Mo等合金元素，在焊接熔池結(jié)晶過程中，原固溶強化Mo、Cr等元素在對生的柱狀晶和等軸晶接觸區(qū)域以及晶界處產(chǎn)生微偏析，使得晶粒間形成貧Cr區(qū)和貧Mo區(qū)，造成焊縫成分和結(jié)構(gòu)的不均勻，進而表現(xiàn)為焊縫的耐蝕性弱于母材[10-12]。

圖3 C-276合金母材與焊縫在不同介質(zhì)環(huán)境中的極化曲線Fig.3 Polarization curves of C-276 alloyweld，base metal in different solutions

表4 不同介質(zhì)環(huán)境中焊縫與母材的電化學(xué)參數(shù)Table 4 Electronchem ical parameters of weld and based metal in different solutions

3 結(jié)論

（1）C-276合金焊縫組織為柱狀和等軸奧氏體，熱影響區(qū)則為呈條狀和塊狀的金屬間化合物與長大的等軸奧氏體。顯微硬度測試表明，母材硬度最高，約為310 HV，熱影響區(qū)次之，焊縫顯微硬度最低，約為260HV。

（2）酸性環(huán)境中焊縫的耐蝕性差于母材，表現(xiàn)為焊縫的腐蝕電流密度比母材高1個數(shù)量級，腐蝕速率也顯著大于母材。而在中性環(huán)境中，焊縫與母材的耐蝕性相差不大，兩者的腐蝕電流密度和速率均很相近。

[1]劉錦溪，張繼祥，陸燕玲，等.長期時效對C-276合金組織和力學(xué)性能的影響[J].金屬學(xué)報，2013，49（6）：763-768.

[2]朱智，張立文，顧森東.Hastelloy C-276合金應(yīng)力松弛試驗及蠕變本構(gòu)方程[J].中國有色金屬學(xué)報，2012，22（4）:1063-1067.

[3]Jun CHEN，Jian-zhangWANG，F(xiàn)eng-yuan Yan，etal.Corrosion wear synergistic behavior of Hastelloy C276 alloy in artificial seawater[J].Trans.NonferrousMet.Soc.China，2015（25）：661-668.

[4]MICHELIL De，BARBOSA C A，PANDRADE A H，etal.Electrochemical behaviour of 254SMO stainless steel in comparison with 316L stainless steel and Hastelloy C276 in HClmedia[J].British Corrosion Journal，2000（35）：297-300.

[5]Jia Qiang，Wang Yi，Suo Hongli，etal.Electropoishing technique of Hastelloy C-276 alloy[J].Rare Met，2017，36（8）：635-639.

[6]馬雁，魯陳林，許雁澤，等.C-276合金焊接接頭的高溫力學(xué)性能[J].動力工程學(xué)報，2014，34（3）：249-252.

[7]馬廣義，吳東江，郭玉泉，等.超薄Hastelloy C-276脈沖激光焊接接頭的拉伸性能[J].稀有金屬材料與工程，2013，42（6）：1241-1245.

[8]任冠鵬，郭小輝，劉志穎，等.不同焊接方法對哈氏合金C-276焊縫組織和耐晶間腐蝕性能的影響[J].材料開發(fā)與應(yīng)用，2016，31（5）：40-44.

[9]郭建亭，周蘭章，秦學(xué)智.鐵基和鎳基高溫合金的相變規(guī)律與機理[J].中國有色金屬學(xué)報，2011，21（3）:476-486.

[10]吳東江，范聰，劉士博，等.Hastelloy C-276/316L激光異質(zhì)焊焊縫腐蝕性能[J].中國有色金屬學(xué)報，2014，24（2）：441-447.

[11]Ahmad M，Akhter J I，Akhtar M，etal.Microstructure and hardness studies of theelectron beam welded zoneofHastelloy C-276[J].Journal of Alloys and Compounds，2005（390）：88-93.

[12]吳東江，范聰，劉士博，等.激光偏移量對Hastelloy C-276/316L焊縫腐蝕性能的影響[J].稀有金屬材料與工程，2015，44（2）：498-502.