C276哈氏合金是一種含W的Ni-Cr-Mo合金，具有極佳的抗點蝕和晶間腐蝕性能[1]。較高的Cr和Ni含量使得C276耐Cl–腐蝕性能優(yōu)異，因而哈氏合金在核電工程、電力環(huán)保、石化設(shè)備等強酸腐蝕性環(huán)境中廣泛使用[2-3]。鑒于C276昂貴的市場價格，目前工業(yè)中普遍將哈氏合金與碳鋼復(fù)合使用，既保證了高耐蝕性又滿足強度需求。

經(jīng)過爆炸焊接的C276/Q345R復(fù)合板需要進(jìn)行熱處理來消除爆炸應(yīng)力，而爆后熱處理工藝往往是哈氏合金-鋼復(fù)合板綜合質(zhì)量的決定性因素。目前已有的熱處理工藝通常會造成復(fù)合板結(jié)合界面顯微硬度偏高影響后續(xù)的機(jī)加工，或復(fù)層耐蝕性喪失導(dǎo)致整板耐蝕性不達(dá)標(biāo)等問題，致使C276/Q345R復(fù)合板良品率較低[4]。本文以爆炸焊接C276/Q345R復(fù)合板為研究對象，通過對比分析的方法，重點研究了低溫退火和高溫正火對復(fù)合板整體性能的影響。

1.   實驗材料與方案

1.1   實驗材料

采用C276哈氏合金（復(fù)板）和Q345R低合金鋼（基板）為實驗材料，規(guī)格分別為2030 mm×1030 mm×2 mm和2000 mm×1000 mm×10 mm，其主要化學(xué)成分如表1和表2所示。

采用平行安裝法制備C276/Q345R復(fù)合板，選用低猛度和低爆速的乳化炸藥并摻入石英砂，進(jìn)一步降低爆速。在炸藥與復(fù)板C276之間加上緩沖層，避免爆轟波作用導(dǎo)致復(fù)板表面被灼傷或產(chǎn)生裂紋等缺陷。根據(jù)經(jīng)驗公式計算爆炸焊接工藝參數(shù)[5-8]，最終制得規(guī)格尺寸為2000 mm×1000 mm×(2+10) mm的C276/Q345R復(fù)合板，圖1為C276/Q345R復(fù)合板爆炸焊接示意圖。

表  1  C276哈氏合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

Cr	Fe	Mn	Mo	W	Co	V	S	Ni
15.8	6.3	0.9	15.8	4.1	2.2	0.33	0.01	54.56

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表  2  Q345R低合金鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

C	Si	Mn	S	P	Fe
0.15	0.36	1.31	0.10	0.23	97.85

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圖  1  C276/Q345R復(fù)合板爆炸焊接示意圖

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1.2   實驗方案

據(jù)相關(guān)資料顯示，哈氏合金C276在550~950 ℃范圍內(nèi)會發(fā)生敏化，晶界產(chǎn)生大量析出相，導(dǎo)致晶界耐腐蝕性能降低，產(chǎn)生晶間腐蝕敏感性。C276在敏化溫度范圍內(nèi)停留的時間越長耐腐蝕性能下降幅度越大[9]。因此，經(jīng)查閱大量文獻(xiàn)并綜合考慮C276/Q345R爆炸復(fù)合板常用熱處理制度后，采用表3所示的實驗方案對復(fù)合板進(jìn)行熱處理。

采用Dino-lite JSZ6(JX13)顯微鏡觀察試板的微觀組織形貌，利用微機(jī)控制液壓萬能實驗機(jī)AUM/60W(LX05)進(jìn)行拉伸實驗，在GW-160G鋼管彎曲實驗機(jī)上完成試板彎曲實驗，在HH-4(JF09)型數(shù)顯恒溫水浴鍋中使用ASTM G48—2011(2015)實驗方法完成腐蝕速率測定實驗。

表  3  C276/Q345R爆炸復(fù)合板熱處理方案

方案編號	實驗狀態(tài)
1	500 ℃，保溫240 min，爐冷
2	550 ℃，保溫240 min，爐冷
3	1000 ℃，保溫30 min，空冷
4	1120 ℃，保溫30 min，空冷
5	1120 ℃，保溫30 min，水冷

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2.   實驗結(jié)果與分析

2.1   實驗結(jié)果

圖2為C276/Q345R爆炸復(fù)合板試板切割成小樣后的宏觀形貌圖。從圖中可以看出，通過爆炸焊接方式結(jié)合到一起的C276/Q345R復(fù)合板外觀結(jié)合情況良好，無裂紋、分層等缺陷。通過UT超聲波探傷檢測表明整板100%結(jié)合。不同熱處理工藝后C276/Q345R復(fù)合板性能結(jié)果如表4所示。

圖  2  C276/Q345R爆炸復(fù)合板試板

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2.2   實驗分析

根據(jù)表4檢測結(jié)果可知，無論是采用低溫退火還是高溫正火的熱處理工藝，C276/Q345R爆炸復(fù)合板熱處理后剪切強度等各項力學(xué)性能指標(biāo)均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，部分指標(biāo)高于標(biāo)準(zhǔn)值200%以上。

在爆轟力的作用下，復(fù)合板波狀結(jié)合面發(fā)生巨大的塑性變形，界面處組織的顯微硬度在爆炸硬化的作用下大幅增加，超過了基板和復(fù)板的原始組織硬度。從表4中可見，同一熱處理工藝下，兩次測得的硬度值有一定偏差，這是因為復(fù)合板硬度的變化趨勢是從界面向兩側(cè)逐漸降低的，偏差值在合理范圍內(nèi)。隨著熱處理溫度的提高，復(fù)合板界面處顯微硬度總體呈下降趨勢。當(dāng)熱處理溫度升高到1120 ℃后，此時復(fù)合板界面顯微硬度相比低溫退火降低了約200 HV，接近于基體低合金鋼Q345R的硬度。基于以上分析結(jié)果，可以得出C276/Q345R復(fù)合板爆炸焊接后采用高溫正火的熱處理工藝有利于降低復(fù)合板的顯微硬度。從表4中還可以看出，1000 ℃和1120 ℃熱處理后的復(fù)合板剪切強度與顯微硬度變化趨勢類似，雖然有所下降但是均遠(yuǎn)高于210 MPa的標(biāo)準(zhǔn)值。

表  4  熱處理后C276/Q345R爆炸復(fù)合板理化性能檢測結(jié)果

方案編號	屈服強度/MPa	抗拉強度/ MPa	剪切強度/MPa	斷后伸長率/%	耐蝕性/(mm/a)	維氏硬度HV	外彎(d=4a)
1	421	565	559	30.0	0.66，0.68	596，571	合格
2	388	542	503	28.5	0.62，0.77	562，509	合格
3	328	517	395	30.0	26，24*	369，310	合格
4	351	546	412	27.0	0.76，0.73	390，328	合格
5	366	554	449	25.5	0.45，0.40	401，358	合格
標(biāo)準(zhǔn)值	315	490～620	≥210	21.0	≤2.75	—	合格
注: *采用此種退火工藝的復(fù)合板耐蝕性能很差。

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除了力學(xué)性能外，復(fù)層C276哈氏合金的耐蝕性也是衡量C276/Q345R爆炸復(fù)合板綜合性能的關(guān)鍵指標(biāo)。從表4可以看出，除了1000 ℃正火外，其余熱處理工藝下檢測到的C276/Q345R爆炸復(fù)合板復(fù)層耐蝕性均高于標(biāo)準(zhǔn)值，滿足工業(yè)環(huán)境使用要求。圖3為復(fù)合板1000 ℃正火后復(fù)層的顯微組織圖。從圖中可以看出，該熱處理工藝下整個復(fù)層布滿了腐蝕孔洞，出現(xiàn)了極其嚴(yán)重的晶間腐蝕現(xiàn)象。通過分析可知，1000 ℃熱處理下，C276析出了大量的彌散分布的金屬間相，這些相的析出無形中增加了晶界在合金成分方面的不均勻性，導(dǎo)致復(fù)層耐腐蝕性能急劇下降。

圖  3  熱處理1000 ℃，30 min并空冷后復(fù)層顯微組織

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圖4為復(fù)合板在1120 ℃熱處理并采用空冷和水冷兩種不同冷卻方式后復(fù)層的顯微組織圖。通過對比分析可以發(fā)現(xiàn)，水冷條件下復(fù)層C276中的二次析出相數(shù)量相對更少，說明1120 ℃采用水冷方式的C276/Q345R復(fù)合板具有更好的耐蝕性，與表4檢測結(jié)果相一致。這是因為水冷條件下，復(fù)層C276具有更快的冷卻速度，在敏化溫度范圍內(nèi)停留的時間更短。雖然空冷條件下復(fù)層的耐蝕性不及水冷，但是仍然完全滿足≤2.75 mm/a的標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖  4  不同冷卻速率下1120 ℃熱處理后復(fù)層顯微組織：(a)空冷；(b)水冷

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3.   結(jié)束語

（1）C276/Q345R爆炸復(fù)合板無論是采用500~550 ℃低溫退火，還是1120 ℃高溫正火的熱處理工藝，其力學(xué)性能及耐蝕性指標(biāo)均高于標(biāo)準(zhǔn)值，滿足環(huán)境使用要求。

（2）1120 ℃高溫正火后的復(fù)合板界面顯微硬度得到充分改善，接近于基板Q345R的硬度，有利于后續(xù)的機(jī)加工處理；而500~550 ℃低溫退火后的復(fù)合板界面顯微硬度仍然較高。

（3）C276/Q345R爆炸復(fù)合板最佳的熱處理工藝是1120 ℃，30 min/水冷，這樣既保證了復(fù)合板具有良好的力學(xué)性能，又保證了復(fù)層耐蝕性不會喪失。