石油化工用Hastelloy C276焊接接頭組織特征及性能

寧 博

(中石化河南油建工程有限公司,河南 南陽 473132)

Hastelloy C276合金被譽(yù)為“萬能耐蝕合金”，其不僅在含鹵族離子的氧化性介質(zhì)中具有良好的耐蝕性，在氧化性酸與還原性酸混合的酸性環(huán)境中也具有遠(yuǎn)優(yōu)于316L等合金的耐蝕性能【1-3】。這得益于它高含量的Mo、Cr、Ni等重要組成元素【4-8】，因而該合金在聚氨酯的冷凝、硫酸降溫等石油化工領(lǐng)域逐漸得到應(yīng)用。但高含量的Cr、Mo等合金元素使得其在冷加工和熱加工中表現(xiàn)出加工硬化傾向高、液態(tài)金屬鋪展性差、對(duì)夾雜物敏感、元素偏析等技術(shù)難題【9-12】。特別是焊接過程中材料各區(qū)域的加熱和冷卻是不均勻的，導(dǎo)致接頭各區(qū)域呈現(xiàn)出組織和性能差異性，進(jìn)而影響接頭的整體性能穩(wěn)定性。

某公司因酸性介質(zhì)冷凝工位采用C276合金設(shè)備，本文就該苛刻工況下使用的C276合金管道材料開展激光焊工藝研究，分析接頭組織和性能特點(diǎn)，并針對(duì)該工況(pH=3～5)激光焊接頭和母材的耐蝕性能進(jìn)行比較，以期為該合金在石油化工行業(yè)的推廣和應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

焊接試件為直徑φ24 mm、壁厚1.0 mm、長度200 mm的C276圓管。該合金的主要化學(xué)成分見表1。焊前去除待焊區(qū)域毛刺，并用酒精去除油污。隨后，將試件采用手工氬弧焊點(diǎn)固后裝在特定工裝上利用ST300D多光纖輸出脈沖YAG激光焊接設(shè)備進(jìn)行焊接，采用不填絲單面焊雙面成型工藝。為改善熔池金屬的流動(dòng)能力，接頭正面和背面采用25%He+75%Ar混合氣體進(jìn)行保護(hù)。表2 為焊接工藝參數(shù)。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)熱輸入低于25 J/mm 會(huì)出現(xiàn)未焊透缺陷，本文提及的焊接接頭成型均良好。

試樣焊后采用DK7750電火花線切割的方式機(jī)加工金相等試樣。利用光學(xué)顯微鏡觀察經(jīng)磨拋、腐蝕的接頭金相試樣的組織，在HV-1000IS上進(jìn)行接頭顯微硬度測(cè)試。拉伸試樣去除接頭余高后，在萬能電子微拉伸機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸。每種參數(shù)制備3個(gè)平行試樣，拉伸速率為2 mm/min。用Quanta200 掃描電鏡觀察斷口并進(jìn)行成分分析。接頭耐蝕性能測(cè)試采用經(jīng)典三電極體系，輔助電極為鉑片，參比電極為飽和甘汞電極。測(cè)試工作介質(zhì)為100 mL H2O+5 mL HCl+3.5g NaCl，該溶液配制3 h后進(jìn)行測(cè)試。試樣先用環(huán)氧樹脂密封，避免縫隙腐蝕。試驗(yàn)裝置為平板腐蝕電解池和CS 310S電化學(xué)工作站，電位掃描速率為2 mv/min。測(cè)試所得的極化曲線數(shù)據(jù)采用origin軟件擬合獲得其電流密度等參數(shù)。

表1 C276合金主要化學(xué)成分 (w，%)

表2 焊接工藝參數(shù)

2 觀察與分析

2.1 接頭顯微組織

圖1(a)～圖1(f)為不同的焊接熱輸入所對(duì)應(yīng)的接頭顯微組織。由圖1可知，各焊縫均為單一奧氏體組織，熱影響區(qū)則為粗大等軸奧氏體和沿晶界分布的條帶狀、塊狀析出物。

對(duì)比圖1(a)～圖1(d)可知：不同熱輸入的焊縫組織形貌存在較大差異；熱輸入為30 J/mm的焊縫由細(xì)小等軸晶和胞狀晶組成，晶粒尺寸較為一致；增加熱輸入，焊縫內(nèi)的奧氏體逐漸由胞狀和等軸枝晶形貌轉(zhuǎn)變?yōu)橹鶢?；?dāng)熱輸入為45 J/mm時(shí)， 奧氏體則以柱狀形貌為主， 存在少量胞狀晶； 而當(dāng)熱輸入達(dá)到51 J/mm時(shí)，焊縫為粗大奧氏體柱狀晶。導(dǎo)致上述現(xiàn)象的原因是施焊時(shí)，母材受熱熔化， 隨著熱源不斷前移， 先熔化金屬逐漸凝固結(jié)晶，熱輸入越高， 則液態(tài)金屬高溫停留時(shí)間越長， 優(yōu)先形核的晶粒有更多時(shí)間長大成柱狀晶和粗大等軸枝晶。

圖1 不同熱輸入的接頭顯微組織

2.2 接頭力學(xué)性能

2.2.1 硬度和強(qiáng)度

圖2(a)～圖2(b)為不同熱輸入下的焊接接頭顯微硬度和強(qiáng)度、延伸率分布趨勢(shì)。由圖2(a)可以看出，4種熱輸入的接頭均呈現(xiàn)出焊縫的顯微硬度最低(約為215HV)，熱影響區(qū)次之(約為240HV)，母材顯微硬度最高(約為270HV)的現(xiàn)象。對(duì)比不同熱輸入的焊縫顯微硬度，發(fā)現(xiàn)熱輸入越大，焊縫的硬度值越低，即焊縫抵抗局部變形的能力越弱。拉伸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，試樣均斷裂于焊縫位置，表明焊縫為接頭力學(xué)性能薄弱區(qū)域，這一現(xiàn)象與顯微硬度測(cè)試結(jié)果相符合。由圖2(b)知，熱輸入30 J/mm的焊縫強(qiáng)度可達(dá)到922 MPa，延伸率為50.1%，分別為母材的88.6%和84.1%。隨著熱輸入增加，焊縫的強(qiáng)度和延伸率逐漸降低，當(dāng)熱輸入為51 J/mm時(shí)，強(qiáng)度降至796 MPa，延伸率僅為30.7%，說明在一定熱輸入范圍內(nèi)，增加焊接熱輸入會(huì)降低接頭的力學(xué)性能。

圖2 各熱輸入的接頭力學(xué)性能

觀察熱影響區(qū)微觀形貌并對(duì)其進(jìn)行能譜分析[見圖3(a)～圖3(b)和表3]，發(fā)現(xiàn)奧氏體晶界上的條狀和塊狀析出物內(nèi)Cr和Mo元素含量明顯高于晶內(nèi)。

結(jié)合圖1和圖2的結(jié)果，分析認(rèn)為，母材受焊接熱循環(huán)作用導(dǎo)致奧氏體晶粒長大和元素?cái)U(kuò)散偏聚，原固溶在基體中的Cr、Mo等元素?cái)U(kuò)散至晶界處，形成了硬度較高的化合物，降低了該區(qū)域的晶格畸變程度【13-15】，因而熱影響區(qū)的顯微硬度高于焊縫，但低于母材；而焊縫則由于母材受熱完全融化，原固溶原子在液態(tài)金屬中擴(kuò)散和再分配，形成了微觀偏析，使得液態(tài)金屬凝固形成的焊縫組織中晶格畸變程度遠(yuǎn)低于母材，即焊縫中的固溶效果降低，因而表現(xiàn)為焊縫的硬度弱于母材。由前面顯微組織觀察知，隨著熱輸入增加，焊縫內(nèi)的奧氏體晶粒尺寸逐漸長大。根據(jù)Hall-petch理論知，晶粒越細(xì)小，則材料在抵抗外力作用時(shí)能承受的力越大，且晶粒間的變形協(xié)調(diào)能力會(huì)更好，因而低熱輸入的接頭表現(xiàn)出良好的強(qiáng)度、硬度和塑性配合。

圖3 接頭成分分析

(w，%)

2.2.2 斷口形貌

圖4(a)～圖4(d)為4種熱輸入下的接頭拉伸斷口形貌。斷口中均由韌窩所組成。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著熱輸入增加，斷口中韌窩尺寸逐漸變大。當(dāng)熱輸入為30 J/mm時(shí)，斷口中分布著大量細(xì)小、密集的韌窩，表明該熱輸入接頭的優(yōu)異塑性。而隨著熱輸入的不斷增加，斷口中韌窩尺寸逐漸變大，特別是51 J/mm的斷口中韌窩尺寸較大，反映出該參數(shù)下的接頭較其他接頭有所降低，這一點(diǎn)與延伸率的分布趨勢(shì)是相吻合的。

圖4 不同熱輸入的接頭拉伸斷口形貌

2.2.3 接頭耐蝕性

因激光焊熱影響區(qū)遠(yuǎn)小于焊縫的，因此電化學(xué)測(cè)試性能將以分析焊縫為主。圖5(a)～圖5(d)給出了C276激光焊焊縫與母材在模擬酸性環(huán)境中的極化行為和測(cè)試后試樣微觀形貌。由圖5(a)可知：隨著電位逐漸正移，試樣的電流密度先下降，隨即進(jìn)入陽極溶解區(qū)；電位持續(xù)正移，焊縫和母材的試樣均出現(xiàn)了明顯的鈍化區(qū)，即試樣的電流密度維持在一定范圍內(nèi)，腐蝕速率緩慢且平穩(wěn)，其中30 J/mm試樣和母材在鈍化區(qū)內(nèi)均出現(xiàn)了“鈍化-活化”短期震蕩行為；當(dāng)電位達(dá)到一定值后，試樣表面鈍化膜被破壞，呈現(xiàn)過鈍化現(xiàn)象。圖5(b)～圖5(d)為試樣測(cè)試后的微觀形貌，觀察發(fā)現(xiàn)，51 J/mm和30 J/mm的焊縫均出現(xiàn)了晶間腐蝕現(xiàn)象，但低熱輸入焊縫的腐蝕程度較輕，而母材僅出現(xiàn)局部點(diǎn)蝕特征，這一現(xiàn)象反映出焊縫的耐蝕性弱于母材、且熱輸入對(duì)焊縫耐蝕性影響較大的特征。表4 給出了試樣的極化曲線擬合數(shù)據(jù)，根據(jù)由表4中所擬合的焊縫與母材電化學(xué)參數(shù)可知，焊縫的自腐蝕電位低于母材，腐蝕電流密度比母材高2個(gè)數(shù)量級(jí)，腐蝕速率超過母材的3倍，且高熱輸入的腐蝕速率和電流密度均高于低熱輸入。材料的自腐蝕電位越低，腐蝕傾向就越大；而腐蝕電流越大，腐蝕速率越快則說明材料的耐蝕性越差【13-14】。

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是由于C276合金中Cr、Mo等合金化元素含量較高，母材受熱熔化后，這些合金元素發(fā)生再分配，在柱狀晶或等軸晶晶界處發(fā)生微觀偏析，特別是熱輸入越大時(shí)，元素?cái)U(kuò)散和偏聚時(shí)間越長，焊縫內(nèi)成分越不均勻，因而導(dǎo)致焊縫耐蝕性弱于母材，且大熱輸入的焊縫耐蝕性較低熱輸入的差。

圖5 酸性環(huán)境中焊縫和母材的極化行為及微觀組織

環(huán)境電流/A自腐蝕電位Ecorr/V腐蝕電流密度Jcorr/(A·cm-2)腐蝕速率/(mm·a-1)酸性30 J/mm-0.189 75.546 3×10-50.181 6350 J/mm-0.319 46.937 2×10-50.238 25母材-0.162 17.413 1×10-70.052 32

3 結(jié)論

1) C276合金激光焊的焊縫由奧氏體組成，熱影響區(qū)由受熱長大的奧氏體和呈條狀和塊狀的沿晶界分布的析出物組成。隨著熱輸入增加，焊縫中奧氏體形貌將逐漸由細(xì)小的等軸晶轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮闹鶢罹А?/p>

2) 焊縫為接頭最薄弱的區(qū)域。熱輸入30 J/mm的焊縫強(qiáng)度可達(dá)922 MPa，為母材的88.6%，具有良好的強(qiáng)度、塑性。

3) 酸性環(huán)境中，焊縫的耐蝕性弱于母材，表現(xiàn)為焊縫的腐蝕電流密度比母材高2個(gè)數(shù)量級(jí)，腐蝕速率超過母材的3倍；熱輸入越大，焊縫的耐蝕性越差。