堆焊層數(shù)對(duì)熱絲脈沖TIG堆焊Inconel 625的腐蝕性能研究

歐陽志英，朱 威，任 飆

(1. 上海海隆石油管材研究所，上海 200949；2. 上海海隆石油化工研究所，上海 200949)

0 前 言

隨著全球工業(yè)化加速發(fā)展和能源需求量的增加，油氣勘探開采區(qū)域逐漸由淺海轉(zhuǎn)向深海和超深海[1]。深海油氣田中原油和天然氣含有大量的硫化氫、二氧化碳和氯化物，構(gòu)成一種苛刻的腐蝕環(huán)境，對(duì)管道造成嚴(yán)重的腐蝕[2]。雙金屬復(fù)合材料可以解決這一問題，由碳鋼(外層)和耐蝕合金(內(nèi)層)組成的碳鋼/鎳基合金復(fù)合材料既能滿足耐蝕性又能保證經(jīng)濟(jì)效益最大化。堆焊是冶金制備雙金屬層復(fù)合管材料的手段之一，堆焊表面改性以碳鋼或低碳合金鋼作為基體，將耐蝕合金材料堆焊在基體與腐蝕介質(zhì)接觸的表面，可提高設(shè)備的耐蝕性能，同時(shí)顯著降低成本[3]。而Inconel 625高溫鎳基合金由于具有良好的屈服強(qiáng)度、耐腐蝕性能以及可加工性與焊接性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工等領(lǐng)域，也常作為耐蝕性較差的碳鋼管內(nèi)保護(hù)涂層[4，5]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)Inconel 625堆焊的腐蝕性能都有大量的研究。郭龍龍等[6]采用熱絲脈沖TIG(惰性氣體鎢極保護(hù)焊)工藝在AISI 4130表面堆焊Inconel 625，并對(duì)堆焊層的組織性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，堆焊層主要由γ - Ni固溶體、分布在晶間不規(guī)則的Laves相和顆粒狀的MC碳化物組成，堆焊層表面的Fe元素含量為1.81%，且其腐蝕性能與鑄態(tài)Inconel 625的相當(dāng)。Kim等[7]采用ESW(Electroslag welding)工藝研究了焊接電流引起的熱輸入變化對(duì)Inconel 625堆焊層晶間腐蝕敏感性的影響，結(jié)果表明，隨著熱輸入增加，F(xiàn)e元素稀釋率增加，腐蝕速率增加，但晶間腐蝕敏感性無法確定。Jung[8]研究對(duì)比了GMAW(Gas metal arc welding)工藝堆焊Inconel 600和Inconel 625的腐蝕性能，結(jié)果表明Inconel 625堆焊層的耐蝕性更優(yōu)。Adamiec[9]對(duì)Inconel 625堆焊層在高溫腐蝕氣體中的腐蝕行為進(jìn)行了研究，結(jié)果表明堆焊層的高耐蝕性是由于不斷形成的Cr2O3鈍化膜的保護(hù)作用，但堆焊層中的Fe含量過高會(huì)降低其耐腐蝕性能。盡管以上學(xué)者對(duì)Inconel 625堆焊層的腐蝕性能進(jìn)行了深入研究，但有關(guān)堆焊層數(shù)對(duì)于其腐蝕行為和腐蝕性能的影響研究較少。

熱絲脈沖TIG工藝是在傳統(tǒng)的TIG工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。一般情況下，填充焊絲都是在冷卻狀態(tài)下送進(jìn)，熱絲脈沖TIG工藝采用預(yù)熱焊絲，具有提高焊接效率、降低母材稀釋率等優(yōu)點(diǎn)[10，11]。本工作采用熱絲脈沖TIG工藝在20鋼表面堆焊Inconel 625合金，重點(diǎn)對(duì)不同堆焊層數(shù)時(shí)的電化學(xué)腐蝕性能和晶間腐蝕性能進(jìn)行了研究。

1 試 驗(yàn)

1.1 材料與堆焊

選用基體為20鋼板，尺寸為250 mm×250 mm×30 mm，其化學(xué)成分見表1。待堆焊表面需打磨至粗糙度Ra為0.8 μm，焊前用丙酮清洗焊接區(qū)域油污。焊絲選用牌號(hào)為ERNi - CrMo - 3(Inconel 625)，直徑為1.2 mm，其化學(xué)成分見表2所示。

表1 基體20鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of matrix 20 steel (mass fraction)

表2 Inconel 625焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 2 Chemical composition of Inconel 625 welding wire(mass fraction)

試驗(yàn)選用焊接設(shè)備為Fronius自動(dòng)熱絲脈沖TIG焊接系統(tǒng)，堆焊參數(shù)見表3所示，保護(hù)氣體為純氬氣。焊道長(zhǎng)180 mm，分別堆焊1層和2層，1層厚度約為 3.0 mm，2層厚度約為5.5 mm。焊接后空冷至室溫，堆焊層表面平坦并帶有均勻波紋，經(jīng)滲透探傷未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷。

表3 熱絲脈沖TIG堆焊參數(shù)

1.2 腐蝕試驗(yàn)

電化學(xué)測(cè)試選用Gamry reference 600電化學(xué)工作站，試樣切割成待測(cè)表面尺寸為10 mm×10 mm方塊，用導(dǎo)線焊在試樣背面制作引線并用鑲嵌粉封裝，待測(cè)表面用砂紙依次打磨至1 000目，并用丙酮清洗風(fēng)干，測(cè)試溶液為3.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))NaCl。電化學(xué)測(cè)試采用三電極體系，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑電極，試樣為工作電極。動(dòng)電位極化曲線測(cè)試掃描速率為0.167 mV/s，相對(duì)于開路電位-0.15 V掃描至1.50 V。交流阻抗選用頻率范圍為1.0×(10-2～105) Hz，交流擾動(dòng)振幅為10 mV。

按照ASTM G28 A進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)，將堆焊層截取成30 mm×25 mm×2 mm的試樣，其各面逐漸打磨至1 000目并用丙酮清洗干凈。腐蝕溶液為25 g Fe2(SO4)3+236 mL 95%～98%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))H2SO4+400 mL H2O,試驗(yàn)過程中保持溶液處于沸騰狀態(tài)，試驗(yàn)時(shí)間為120 h。試驗(yàn)后，采用VEGAⅡXMH型掃描電鏡觀察試樣的表面及截面腐蝕形貌。

1.3 元素分布表征

沿垂直堆焊方向機(jī)械加工為25 mm×25 mm×10 mm的試樣，然后將試樣水磨至1 000目，用氧化鋁拋光粉拋光至鏡面效果，并用丙酮清洗干凈，用王水金相腐蝕溶液侵蝕50 s后采用帶有EDS功能的VEGAⅡXMH型掃描電鏡進(jìn)行線掃描，F(xiàn)e元素定量分析采用0.5 mm間隔的點(diǎn)掃描進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 電化學(xué)試驗(yàn)

圖1為Inconel 625焊絲單層、雙層堆焊和基體20鋼在3.5%NaCl溶液中靜置2 h后的Bode譜和Nyquist譜。

從圖1a可以看出，雙層堆焊在更寬頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)的相位角在80°左右，而單層堆焊在頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)的相位角約75°，且寬度明顯變窄，基材相位角的頻率范圍最窄約為60°。相位角出現(xiàn)的頻率范圍越寬角度越大，表明其耐蝕性能越好，因此，雙層堆焊的耐蝕性能要優(yōu)于單層堆焊的，基體的耐蝕性能最差。而阻抗模量和頻率曲線的斜率與電荷轉(zhuǎn)移存在一定的關(guān)系，斜率越大，電荷轉(zhuǎn)移電阻也越大。雙層堆焊的斜率最大，表明其阻礙腐蝕發(fā)生的能力最高，而基材斜率最小，最易發(fā)生腐蝕。從圖1b可以看出，雙層堆焊試樣呈現(xiàn)的容抗弧最大，堆焊單層較小，進(jìn)一步說明雙層堆焊的耐腐蝕性能要優(yōu)于單層堆焊的。而基材高頻部分表現(xiàn)為容抗弧，低頻出現(xiàn)了Warbug擴(kuò)散，此時(shí)界面反應(yīng)由擴(kuò)散控制。此外，單、雙層堆焊的容抗弧要遠(yuǎn)大于基材的，這表明堆焊層可明顯提高基材的耐腐蝕能力，對(duì)基材起保護(hù)作用。

圖2為Inconel 625焊絲單層堆焊、雙層堆焊和基體20鋼在3.5%NaCl溶液中靜置2 h后的極化曲線，其數(shù)據(jù)擬合結(jié)果見表4。

由圖2可知，基材呈現(xiàn)出典型的陽極溶解行為，而堆焊層材料發(fā)生了明顯的鈍化，且存在點(diǎn)蝕電位。結(jié)合圖2和表4可知，單層堆焊的擊穿電位Eb為650 mV，雙層堆焊的擊穿電位Eb提高了430 mV，點(diǎn)蝕擊穿電位是鈍化的金屬表面引起點(diǎn)蝕的最低電位，點(diǎn)蝕電位越低，越易發(fā)生點(diǎn)蝕，這表明單層堆焊相對(duì)于雙層堆焊更易發(fā)生點(diǎn)蝕。單層堆焊的自腐蝕電位Ecorr為-139.0 mV，雙層堆焊的Ecorr為-121.0 mV，相比基體，自腐蝕電位分別提高了374.0 mV和392.0 mV，表明Inconel 625堆焊層可顯著降低20鋼基體的腐蝕傾向，雙層堆焊的腐蝕傾向較單層堆焊的更低。基體20鋼的自腐蝕電流密度Jcorr為10.40 μA/cm2，單層堆焊和雙層堆焊的自腐蝕電流密度分別下降至0.08 μA/cm2和0.03 μA/cm2，分別下降了約99.3%和99.8%。從動(dòng)力學(xué)角度分析，經(jīng)過Inconel 625堆焊后，其腐蝕速率跳躍式下降，并且雙層堆焊的腐蝕速率要小于單層堆焊的。

表4 Inconel 625單層、雙層堆焊層及基材在3.5%NaCl溶液中的電化學(xué)性能

因此，結(jié)合阻抗譜和極化曲線，從動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)角度分析，Inconel 625堆焊后，其耐均勻腐蝕能力明顯提高，雙層堆焊較單層堆焊更優(yōu)；并且雙層堆焊的耐點(diǎn)蝕能力要高于單層堆焊的。

2.2 晶間腐蝕試驗(yàn)

圖3為Inconel 625單層和雙層堆焊在晶間腐蝕試驗(yàn)后的表面和截面SEM形貌。從圖3可以看出，單層堆焊表面為筍尖狀的腐蝕形貌，腐蝕表面為典型的柱狀晶核(圖3a)；雙層堆焊表面形成了密集的點(diǎn)蝕坑和腐蝕溝，且有少量的腐蝕坑邊緣已相互連接(圖3b)。表面腐蝕形貌均未觀察到明顯的晶間腐蝕裂紋。單層堆焊的截面腐蝕深度約 80 μm(圖3c)，而雙層堆焊的腐蝕深度約 40 μm(圖3d)。單層堆焊的腐蝕失重為268.30 g/m2，雙層堆焊的腐蝕失重為55.93 g/m2，雙層堆焊的失重量約為單層堆焊的1/5，結(jié)合表面和截面腐蝕形貌，其重量損失可能是由于晶間的腐蝕溶解導(dǎo)致柱狀樹枝晶掉落造成，留下柱狀的腐蝕坑形貌。

2.3 討論與分析

堆焊的本質(zhì)是異種金屬材料的連接，在基體表面與焊絲熔化、結(jié)晶和凝固的過程。由于基材和焊絲成分的差異性，基體材料會(huì)向堆焊層發(fā)生遷移，即稀釋。通常來說，稀釋對(duì)堆焊層的影響是不利的，尤其是Fe元素的增多[12，13]。Fe元素的增加會(huì)導(dǎo)致堆焊層材料消耗的增加而提高成本，同時(shí)也會(huì)降低堆焊層的耐蝕性能。圖4為Inconel 625單層堆焊和雙層堆焊元素線掃描分析結(jié)果。從圖4可以看出，在融合線區(qū)域主要的合金元素均發(fā)生了明顯的改變，從堆焊層到基體，Ni、Cr元素急劇下降，Mo、Nb的含量出現(xiàn)明顯的下降，Ti的變化不明顯，而Fe元素含量明顯升高；且在單層堆焊內(nèi)部合金元素含量變化較小，分布較為均勻；雙層堆焊中第2層堆焊層Cr、Ni元素的含量較第1層的明顯變高，F(xiàn)e含量下降，Mo、Nb和Ti元素的變化不明顯，在堆焊層間的合金元素變化不明顯。而對(duì)于鎳基合金而言，F(xiàn)e元素的含量對(duì)其腐蝕性能影響極大，F(xiàn)e元素含量過高會(huì)導(dǎo)致耐腐蝕能力嚴(yán)重下降?？梢钥闯?，在堆焊層與基體的交界處，F(xiàn)e元素含量變化劇烈。在雙層堆焊中，第2層堆焊中的Fe含量要明顯低于第1層的。雙層堆焊的Fe含量要始終低于單層堆焊的。在堆焊層表面，單層堆焊的Fe含量為26.5%，而雙層堆焊的Fe含量?jī)H為3.1%。

從圖2可知，基體試樣呈典型的陽極溶解行為，而堆焊層試樣發(fā)生了明顯的鈍化現(xiàn)象。這是因?yàn)樵诙押笇又休^高含量的Ni和Cr元素，促進(jìn)了堆焊層的鈍化，能有效地阻礙表面的Cl-進(jìn)入金屬基體進(jìn)行活化反應(yīng)，而高含量的Cr易形成Cr2O3，增加鈍化膜的穩(wěn)定性[14，15]。雙層堆焊中由于Fe元素稀釋的量較少，相比單層堆焊的Ni和Cr元素含量要高，所以具有更大的容抗弧、更高的自腐蝕電位和擊穿電位，其抗腐蝕能力要優(yōu)于單層堆焊。

從圖3可知，堆焊層均沒有發(fā)生晶間腐蝕，而是在柱狀晶間區(qū)域發(fā)生腐蝕導(dǎo)致柱狀晶脫落留下柱狀的腐蝕坑。在Inconel 625堆焊過程中，易在晶間出現(xiàn)連續(xù)偏析，彌散分布著Laves相(Ni，F(xiàn)e，Cr)2(Nb,Ti,Mo)[16，17]。其腐蝕電位要低于基體的，與基體形成腐蝕微電池，優(yōu)先在晶間發(fā)生腐蝕，形成柱狀腐蝕坑。而單層堆焊中Fe元素的含量要明顯高于雙層堆焊的，更易在晶間析出Laves相且彌散的數(shù)量更多，晶間的腐蝕溶解導(dǎo)致柱狀晶的進(jìn)一步脫落，留下更深更多的腐蝕坑。

3 結(jié) 論

采用熱絲脈沖TIG工藝在20鋼表面進(jìn)行Inconel 625單層和雙層堆焊，獲得均勻波紋的堆焊層，通過對(duì)不同堆焊層的耐腐蝕性能進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：

(1)單層堆焊的容抗弧要小于雙層堆焊的，基材的容抗弧最小，且出現(xiàn)Warbug擴(kuò)散；單層和雙層堆焊的自腐蝕電位分別較基材的提高374.0 mV和392.0 mV，腐蝕電流密度分別下降約99.3%和99.8%；雙層堆焊的點(diǎn)蝕電位較單層的提高了430 mV。結(jié)合熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析，Inconel 625能明顯提高20鋼基材的全面耐腐蝕能力，雙層堆焊的耐均勻腐蝕能力和抗點(diǎn)蝕能力要優(yōu)于單層堆焊的。

(2)單層和雙層堆焊層均未發(fā)現(xiàn)明顯的晶間腐蝕，表現(xiàn)出良好的耐晶間腐蝕性能；單、雙層堆焊表現(xiàn)的腐蝕類型均為點(diǎn)蝕，沿著柱狀晶間貫穿腐蝕，單層堆焊的腐蝕深度明顯高于雙層堆焊的。

(3)堆焊層間的過渡區(qū)、堆焊層與基體的融合區(qū)元素含量變化較為明顯，堆焊層內(nèi)元素含量較為均勻；雙層堆焊層內(nèi)部的Fe含量要低于單層堆焊層的，具有更加良好的耐腐蝕性能。