國(guó)產(chǎn)825 合金焊接接頭耐腐蝕性能研究

姚 飛，何超輝

（1.岳陽(yáng)長(zhǎng)嶺煉化方元建設(shè)監(jiān)理咨詢有限公司，湖南岳陽(yáng) 414000；2.岳陽(yáng)長(zhǎng)嶺設(shè)備研究所有限公司，湖南岳陽(yáng) 414012）

0 引言

Incoloy 825 鎳基耐蝕合金因其優(yōu)異的抗腐蝕性能和優(yōu)良的加工性能被廣泛應(yīng)用在石化行業(yè)中[1]。國(guó)產(chǎn)825 合金材料具有良好的耐腐蝕性、工藝加工性以及較高的強(qiáng)度，得到了廣泛的應(yīng)用[2]。但是國(guó)產(chǎn)825 合金材料在焊接過程中，材料的組織結(jié)構(gòu)不可避免的發(fā)生一些變化，特別是焊縫及熱影響區(qū)，焊接接頭耐蝕性能對(duì)其使用壽命有較大的影響。對(duì)國(guó)產(chǎn)825 合金焊接接頭耐腐蝕性能進(jìn)行基礎(chǔ)研究可為設(shè)計(jì)和使用單位提供參考數(shù)據(jù)。

1 試樣材料及焊接工藝

試樣材料取一定大小的國(guó)產(chǎn)825 合金板材，通過對(duì)板材的EDS 分析，結(jié)果顯示構(gòu)成國(guó)產(chǎn)825 合金板材的主要元素為Ni、Fe、Cr，其中含有少量的Cu、Si、Ti、A（l圖1）。

圖1 國(guó)產(chǎn)825 合金板材的EDS 檢測(cè)結(jié)果

焊接母材采用厚度為17 mm 的國(guó)產(chǎn)825 合金板材，焊接材料采用Techalloy 825 合金焊絲，焊接過程中使用氬氣作為保護(hù)氣體。

2 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果

2.1 金相顯微組織測(cè)試

將制備好的國(guó)產(chǎn)825 合金焊接接頭樣品做金相顯微組織前處理，處理完后放在金相顯微鏡下分別對(duì)焊縫區(qū)、熱影響區(qū)及母材進(jìn)行檢測(cè)。得到國(guó)產(chǎn)825 合金焊縫和熱影響區(qū)的金相顯微組織如圖2 所示。

圖2 焊接接頭熱影響區(qū)金相顯微組織

從圖2 可以看出，焊接接頭焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材的金相顯微組織均為奧氏體，但焊縫區(qū)的金相顯微組織的晶界處出現(xiàn)貧鉻區(qū)，主要原因?yàn)楹附訒r(shí)焊接金屬在高溫熔化下造成的結(jié)果。

2.2 腐蝕掛片實(shí)驗(yàn)

將處理好的試片分別置于100 mL 的10%HCl 溶液和1 mol/L Na2S 溶液的密閉陶瓷容器中，在150 ℃溫度的腐蝕環(huán)境下進(jìn)行浸泡實(shí)驗(yàn)。

（1）10%HCl 溶液。采用掛片法將國(guó)產(chǎn)825 合金焊接接頭與母材在150 ℃的10%HCl 溶液中浸泡27 h。其腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 合金焊接接頭與母材在10%HCl 中的腐蝕速率

從表1 可知，在150 ℃的10 % HCl 溶液中，母材的平均腐蝕速率為2.158 7 mm/a，接頭的腐蝕速率為35.412 1 mm/a，焊接接頭的腐蝕速率是母材的16 倍。試片表面均無腐蝕產(chǎn)物，實(shí)驗(yàn)完成后腐蝕溶液呈深綠色，腐蝕后試樣的宏觀表形貌見圖3。

由圖3 可見，在150 ℃的10%HCl 溶液中，母材表面整體腐蝕輕微，局部有細(xì)小點(diǎn)蝕，而國(guó)產(chǎn)825 合金焊接接頭腐蝕問題較為突出。腐蝕原因一是焊縫金屬在HCl 溶液的去極化腐蝕，二是焊縫金屬與母材之間形成了腐蝕電池，焊接接頭作為犧牲陽(yáng)極加速了腐蝕。

圖3 母材與合金焊接接頭腐蝕形貌

（2）1 mol/L 的Na2S 溶液。將國(guó)產(chǎn)825 合金焊接接頭與母材在150 ℃的1 mol/L Na2S 溶液中浸泡335 h。其腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2：

表2 腐蝕速率情況（1 mol/L Na2S 溶液）

從表2 可知，焊接接頭與母材腐蝕速率相差不大，國(guó)產(chǎn)825合金焊接接頭在1 mol/L Na2S 溶液的抗腐蝕性能與母材相近，焊接后并未影響材料及熱影響區(qū)的耐腐蝕性能。

2.3 電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)

（1）10%的HCl 溶液。采用電化學(xué)工作站分別測(cè)試國(guó)產(chǎn)825合金焊接接頭和母材在10%HCl 溶液、1 mol/L 的Na2S 溶液中的極化曲線，具體的電化學(xué)測(cè)試結(jié)果如圖4、圖5 所示。

圖4 焊接接頭與母材在HCl 溶液中的極化曲線

圖5 焊接接頭與母材在Na2S 溶液中的極化曲線

由圖4 可知，在10%的HCl 溶液中，母材和焊接接頭的陽(yáng)極極化曲線在開始時(shí)均表現(xiàn)為合金的活性溶解。當(dāng)電位達(dá)到0.15～1.0 V 時(shí)，母材出現(xiàn)了一個(gè)明顯的鈍化區(qū)，電位在1.0 V 以后鈍化層被破壞，腐蝕電流隨電位的增大而增大。

由圖5 可知，在1 mol/L 的Na2S 溶液中，母材和焊接接頭的極化曲線類似，在-0.9 V 附近均出現(xiàn)鈍化區(qū)，之后電流密度隨電位的增加而增大。國(guó)產(chǎn)825 合金焊接接頭的耐腐蝕性能與母材相當(dāng)。

2.4 高溫氧化測(cè)試

將制備好的合金試樣在800 ℃的溫度下加熱氧化8 h 后取出冷卻進(jìn)行氧化性能實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

從表3 可以看出，在800 ℃的高溫氧化下，國(guó)產(chǎn)825 合金焊接接頭的腐蝕速率與母材相差不大。

表3 高溫氧化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.5 晶間腐蝕實(shí)驗(yàn)

將處理好的825 合金焊接接頭試片進(jìn)行晶間腐蝕實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行5 個(gè)周期，每周期48 h。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 晶間腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果 mm/a

由表4 可知，國(guó)產(chǎn)825 合金焊接接頭晶間腐蝕速率比母材的大。

采用金相顯微鏡對(duì)實(shí)驗(yàn)完成后樣品焊縫區(qū)、熱影響區(qū)及母材的金相顯微組織與表面形貌進(jìn)行分析。分析結(jié)果如圖6 所示。

圖6 焊接接頭與母材經(jīng)晶間腐蝕后的金相照片（300×）

由圖6 可以看出，焊接接頭與母材相比，焊縫區(qū)的晶粒度比較小，晶界區(qū)域比較大，晶界處的貧鉻區(qū)較大。由此可見，焊縫金屬的耐晶間腐蝕性能比母材的差。

2.6 應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)

采用SSRT 拉伸應(yīng)力腐蝕機(jī)研究國(guó)產(chǎn)825 合金焊接接頭在不同介質(zhì)中的應(yīng)力腐蝕情況，其研究結(jié)果見表5。

表5 應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表5 可以看出，在空氣介質(zhì)、10%的HCl 和3.5%的NaCl 中，國(guó)產(chǎn)825 合金母材的延伸率、面縮率都和抗拉強(qiáng)度均比國(guó)產(chǎn)825 合金焊接接頭的大，而應(yīng)力腐蝕敏感性參數(shù)卻比焊接接頭的小。

在空氣介質(zhì)、10%的HCl、1 mol/L 的Na2S 和3.5%的NaCl溶液中，國(guó)產(chǎn)825 合金焊接接頭的延伸率、面縮率和抗拉強(qiáng)度的大小關(guān)系為：

延伸率空氣介質(zhì)>延伸率1 mol/L 的Na2S>延伸率3.5%的NaCl>延伸率10%的HCl。

面縮率空氣介質(zhì)>面縮率1 mol/L 的Na2S>面縮率3.5%的NaCl>面縮率10%的HCl。

抗拉強(qiáng)度空氣介質(zhì)>抗拉強(qiáng)度1 mol/L 的Na2S>抗拉強(qiáng)度3.5%的NaCl>抗拉強(qiáng)度10%的HCl。

在10%的HCl、1 mol/L 的Na2S 和3.5%的NaCl 溶液中，國(guó)產(chǎn)825 合金焊接接頭的應(yīng)力腐蝕敏感性參數(shù)的大小關(guān)系為：

應(yīng)力腐蝕敏感性參數(shù)10%的HCl>應(yīng)力腐蝕敏感性參數(shù)3.5%的NaCl>應(yīng)力腐蝕敏感性參數(shù)1 mol/L 的Na2S。

但是在3.5%的NaCl 和1 mol/L 的Na2S 溶液中，國(guó)產(chǎn)825合金焊接接頭的應(yīng)力腐蝕敏感性參數(shù)較小，而在10%的HCl 中比較大。由此可見，在3.5%的NaCl 和1 mol/L 的Na2S 溶液中，國(guó)產(chǎn)825 合金焊接接頭發(fā)生應(yīng)力腐蝕的可能性比較小，而在10%的HCl 中發(fā)生應(yīng)力腐蝕的可能性比較大。

3 結(jié)束語

（1）國(guó)產(chǎn)825 合金焊接接頭焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材的金相顯微組織均為奧氏體，但焊縫區(qū)的金相顯微組織的晶界處出現(xiàn)貧鉻區(qū)，主要原因?yàn)楹附訒r(shí)焊接金屬在高溫溶化下造成的結(jié)果。

（2）腐蝕掛片實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，國(guó)產(chǎn)825 合金焊接接頭在10%的HCl 溶液中的腐蝕速率為35.412 1 mm/a，并且焊縫區(qū)嚴(yán)重腐蝕，其主要原因是焊縫金屬的腐蝕電位比母材更低，焊縫金屬與母材之間形成電偶腐蝕，使得焊縫區(qū)加速溶解，而母材區(qū)域得到一定的保護(hù)；國(guó)產(chǎn)825 合金焊接接頭在1 mol/L 的Na2S 溶液中的腐蝕速率為0.002 1 mm/a，與母材的相差不大。

（3）電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，在10%的HCl 溶液中，國(guó)產(chǎn)825合金焊接接頭的腐蝕電流比母材的大，并且實(shí)驗(yàn)完成后的電極表面焊縫區(qū)產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕，和腐蝕掛片實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致；在1 mol/L的Na2S 溶液中，國(guó)產(chǎn)825 合金焊接接頭比母材相當(dāng)。

（4）800 ℃的高溫氧化結(jié)果表明，國(guó)產(chǎn)825 合金焊接接頭耐高溫氧化性能與母材相差不大。

（5）晶間腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，國(guó)產(chǎn)825 合金焊接接頭耐晶間腐蝕性能比母材弱，其主要原因是焊接金屬的晶粒度比較小，晶界區(qū)域大，造成晶界處出現(xiàn)大量的貧鉻區(qū)。

（6）應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)結(jié)果表明：在空氣介質(zhì)、10%的HCl 和3.5%的NaCl 中，國(guó)產(chǎn)825 合金母材的延伸率、面縮率和抗拉強(qiáng)度均比國(guó)產(chǎn)825 合金焊接接頭的大，而應(yīng)力腐蝕敏感性參數(shù)卻比焊接接頭的小。

（7）采用不同焊接工藝將得到不同性能的焊接接頭，焊接工藝對(duì)焊接接頭的機(jī)械物理性能和耐腐蝕性能有顯著的影響。在實(shí)際設(shè)備的加工中應(yīng)選擇合適的焊接工藝以保證焊接部位的相關(guān)性能。