304/Q245R爆炸复合板结合界面耐蚀性研究

徐恒文，林东升，张　罡

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳 110159)



304/Q245R爆炸复合板结合界面耐蚀性研究

徐恒文，林东升，张罡

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳 110159)

摘要：针对304/Q245R爆炸复合板结合界面，应用金相显微镜、扫描电镜(EDS)和电化学腐蚀试验方法，研究了复合板结合界面的耐蚀性。试验结果表明：复合板结合区宽度约为170μm，存在退火再结晶的细小等轴晶粒、形变回复组织和漩涡；结合界面组织的不均匀性抑制了电化学腐蚀进行，提高了结合界面的耐蚀性能，使其满足工业实际应用。

关键词：爆炸焊接；显微组织；结合界面；电化学腐蚀

奥氏体不锈钢/低碳钢爆炸复合板由于其高强度、高耐蚀性和价格相对低廉的优势[1]，广泛应用于压力容器行业。而压力容器运行过程中，腐蚀是影响其结构失效最常见的原因之一。

钛/铝爆炸复合板在人工海水溶液中腐蚀试验，由于结合界面处产生了局部熔融物和爆炸焊接残余应力，腐蚀主要集中在母材和结合界面处，但可以满足工业生产对复合板的耐腐蚀性能要求[2]。Q235钢-铝合金爆炸复合接头组织发生强烈的塑性变形和熔化，组织和性能的不均匀性使腐蚀情况更为严重，在3.5%NaCl溶液中发生了电偶腐蚀和晶间腐蚀[3]。铝-钢和铝-钛-钢爆炸复合材料发生电偶腐蚀，且在铝-钛之间形成腐蚀沟槽[4-5]。但是，爆炸复合板结合界面耐蚀性的影响机理研究尚不深入。

本文以304/Q245R爆炸复合为研究对象，对复合板结合界面组织的不均匀性及其耐蚀性进行分析，根据电化学腐蚀试验数据，研究复合板结合界面耐蚀性的影响机理。

1实验材料及方法

1.1实验材料

304/Q245R爆炸复合板，复材304厚度为3mm，基材Q245R厚度为20mm，将基板和复板结合的形变区域称为结合界面。出厂前，该复合板进行消应力退火处理，加热温度(630±10)℃，保温时间为1h，空冷[6]。基板和复板的化学成分如表1所示。

表1　基材Q245R和复材304的化学成分　　　wt%

1.2试验方法

垂直于复合板表面取样，并沿平行于爆炸方向制样，确保观察面平行于爆炸方向[7]。试件经打磨、抛光，基板侧腐蚀液为4%的硝酸酒精，复板侧为王水。应用德国蔡司Axiovert200 MAT金相显微镜，对制得的试件结合界面形貌进行分析，并应用显微镜中自带软件对波形结合界面宽度进行测量。

应用日本日立S-4800扫描电镜(EDS)，对爆炸复合板不同结合方式的界面内元素是否发生扩散进行线扫描分析。

采用CHI660E型电化学工作站，常规的三电极系统，参比电极为饱和的甘汞电极，辅助电极为铂电极，电解介质为质量分数3.5%NaCl水溶液，室温。对爆炸复合板基板、复板和结合界面抛光后进行电化学腐蚀试验，依据复合板Tafel极化曲线和电化学阻抗谱(electrochemical impedance spectroscopy，EIS)的Nyquist图研究其电化学腐蚀规律。

2实验结果及分析

2.1复合板结合界面形貌

复合板在爆轰波的作用下，基板和复板结合界面附近产生较大的塑性变形，晶粒平行于爆炸方向被拉长[8-9]。越靠近基材表面，塑性变形程度越严重。消应力退火处理消除了复合板宏观范围的内应力，也改变了结合界面附近组织结构及性能。304/Q245R爆炸复合板结合界面金相形貌如图1所示。

(a)复合板结合界面波形金相形貌

(b)基材侧3#波峰金相形貌

(c)复合板结合界面漩涡激光共聚焦形貌

基板与复板以波形结合(图1a)，波长约为900μm，波高约为250μm。

3#波形放大形貌(图1b)，基板和复板结合界面均发生较大塑性变形，距离基板和复板界面越近，形变程度越大，退火处理时，回复再结晶越容易发生。紧挨基板和复板界面处，基材侧细小的等轴晶粒出现，为退火再结晶组织，其宽度为20μm左右。基材侧变形区宽度约为150μm。从图1b中可以看出，复合板结合界面为直接结合和熔化层结合两种结合方式，且熔化层内部存在漩涡组织。

对漩涡组织进一步放大(图1c)，其漩涡组织内部存在大量缩松、夹杂和未熔合等类似于铸造组织的缺陷，且组织不连续。

2.2爆炸复合板结合界面成分扫描

爆炸复合板结合界面线扫描谱图如图2所示。

(a)直接结合界面线扫描谱图

(b)熔化结合界面线扫描谱图

图2a为退火态复合板结合界面EDS线扫描图谱，基板和复板界面处Fe、Cr和Ni三种元素含量发生较大变化，可以看出，界面处出现宽度为5μm左右扩散区。这主要是因为该区域爆炸复合板为金属间的直接结合[10]，在巨大的压力作用下，发生不同材料间的原子结合，固态下原子扩散系数相对较小，元素的扩散距离很短，扩散量有限，元素来不及发生长距离扩散。

由图2b结合界面线扫描分析可知，该区域Fe、Cr和Ni元素含量介于复板304奥氏体不锈钢和基板Q245R之间，是由于爆炸焊接过程中，瞬间高温高压使基板和复板部分组织熔化，混合后形成的凝固组织，界面为熔化层结合[10]，其内部残存着少量破碎的金属。线扫描分析，卷入熔化层破碎的金属碎屑各元素含量与基材相同，可知，破碎金属为基材Q245R铁素体组织；在界面处，Cr和Ni元素扩散现象不明显，但Fe可以看出发生明显的扩散现象，由于其过程发生在微秒级别，并不能发生元素的长距离扩散。

由以上分析可知，在同一个波形内，存在着直接结合和熔化层结合两种结合方式，且界面均发生元素扩散现象，扩散距离较短，扩散层厚度大约在几个微米范围之内。

2.3电化学腐蚀

电化学腐蚀理论中，同种电解质的Tafel极化曲线，不同材料的自腐蚀电位反映了其耐腐蚀的敏感程度，自腐蚀电位越高，表明材料在电解质溶液中耐腐蚀性能越好，腐蚀越不容易发生；自腐蚀电流表明材料抗腐蚀的能力，自腐蚀电流越小，材料抗耐腐蚀能力越强，腐蚀速率较慢，金属材料的耐腐蚀性能越强[11-12]。

爆炸复合板基板、复板和结合界面电化学腐蚀试验的动电位极化法测得极化曲线如图3所示。

(a)Q245R低碳钢电化学极化曲线

(b)304不锈钢电化学极化曲线

(c)结合界面电化学极化曲线

图3a、3b和3c为爆炸复合板不同界面动电位极化曲线，测试结果表明，复板304不锈钢在电化学曲线出现一定的平台，表明在腐蚀过程中具有一定的钝性；而304不锈钢极化曲线中的拐点所对应的电位为不锈钢的点蚀电位，点蚀电位越高，钝化时间越长，耐腐蚀性能越好。点蚀是由于不锈钢的钝化膜在Cl-的作用下被击穿，进而发生不锈钢表面的局部腐蚀。

对三种界面极化曲线分析，304不锈钢的自腐蚀电位最高而自腐蚀电流最低。可知，304不锈钢其耐腐蚀性能最好。而结合界面和Q245R的极化曲线相差不大。

试验过程中测得的爆炸复合板304/Q245R不同界面的自腐蚀电位(Ecorr)和自腐蚀电流(Icorr)如表2所示。

表2　爆炸复合板304/Q245R不同界面电化学腐蚀试验结果

由表2中复合板不同界面的自腐蚀电位Ecorr和自腐蚀电流Icorr比较可知，结合界面Ecorr为-598mV，Q245面Ecorr为-604mV，两者相差不大，但结合界面自腐蚀电流Icorr为64.98mA，明显小于Q245R的自腐蚀电流Icorr88.83mA，可知，基材Q245R的腐蚀速率较快，其耐蚀性能较差。由以上分析可以得出，爆炸复合板三种界面抗电化学腐蚀能力的大小为：Q245R<结合界面<304不锈钢。

爆炸复合板三种不同界面在3.5%NaCl水溶液电化学腐蚀的Nyquist曲线如图4所示。

图4三种爆炸复合板界面在3.5%NaCl溶液中的Nyquist图

由图4可以看出，Q245R和结合界面的阻抗曲线均出现半圆形状的容抗弧，而304不锈钢的阻抗曲线相对于其他两种界面而言，阻抗曲线可近似为一条斜向上的直线，表明其阻抗值远大于另外两种材料，耐腐蚀性能较好。而结合界面阻抗曲线容抗弧的半径明显大于Q245R的容抗弧半径。根据腐蚀理论可知，容抗弧半径越大，腐蚀过程中，电荷移动过程中所受的阻力越大，电化学反应越不容易进行，腐蚀速率越慢[1]，由此可以得出，复合板三种结合界面耐腐蚀性能为Q245R<结合界面<304不锈钢。其结果与图3的Tafel极化曲线分析结果相同。

结合界面耐腐蚀性能略高于Q245R侧，但显著低于304不锈钢侧，表明结合界面组织的不均匀性促进了电化学腐蚀倾向，爆炸复合板结合界面存在漩涡组织[1]，如图1c所示，其漩涡组织内部的缩松、夹杂和未熔合等类似于铸造组织的缺陷和复合板形变组织中的位错等缺陷使电化学腐蚀更容易进行，但由于漩涡组织较小，对结合界面整体腐蚀性能影响较小。而基板和复板结合界面存在细小的退火再结晶等轴晶粒和大变形退火回复组织，降低了电化学腐蚀速率，抑制了结合界面的电化学腐蚀反应。

综上，爆炸复合板结合界面的组织的不均匀性与漩涡内组织缺陷存在的综合作用，使结合界面的耐蚀性高于基板Q245R，表明结合界面的耐腐蚀性能符合工程实际中的应用。

3结论

(1)爆炸复合板以波形结合，波长900μm，波高250μm，基材侧结合界面存在退火再结晶细小等轴晶粒，再结晶区域宽度20μm，残余形变组织150μm左右。

(2)爆炸复合板结合界面为直接结合和熔化层结合两种结合方式，两种结合方式均发生元素扩散现象，扩散距离小于5μm，熔化层中卷入的金属碎屑为基材Q245R组织。

(3)爆炸焊接复合板结合界面组织的不均匀抑制了腐蚀进行，耐蚀性高于Q245侧，符合工程实际使用要求。

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(责任编辑：马金发)

Investigation of the Bond Interface Corrosion Resistance of the 304/Q245R Explosive Welding Composite Plate

XU Hengwen,LIN Dongsheng,ZHANG Gang

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

Abstract：In order to investigate corrosion resistance of the composite plate,the bond interface of 304/Q245R composite plate processed by explosive welding was researched based on optical microscope,scanning electron microscope (EDS) and electrochemical corrosion test methods.The results show that the width of composite plate bond interface is about 170μm,the ultrafine isometric grains formed after annealing recrystallization,recovery structure and vortexes were found;the inhomogeneity of bond interface organization suppresses the electrochemical corrosion and improves the corrosion resistant performance to make it meet the industrial pratical needs.

Key words：explosive welding;microstructure;bond interface;electrochemical corrosion

中图分类号：TG456.6

文献标志码：A

文章编号：1003-1251(2016)01-0040-05

作者简介：徐恒文(1972—)，男，硕士研究生；通讯作者：张罡(1963—)，男，教授，博士，研究方向：焊接及材料表面先进改性技术。

收稿日期：2014-12-17