Monel400/Q345R爆炸复合板电化学性能的研究

李 冰，吕德超，林东升，王 爽，张 罡

Monel400/Q345R爆炸复合板电化学性能的研究

李 冰1，吕德超1，林东升2，王 爽3，张 罡1

(1.沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳 110159; 2.长城汽车股份有限公司，河北 保定 071000;3.辽宁忠旺集团有限公司技术中心，辽宁 辽阳 111003)

应用测试动电位极化曲线和交流阻抗谱的方法，研究Monel400/Q345R爆炸复合板在3.5%NaCl溶液中的耐蚀性。实验结果表明:复板Monel400在实验条件下表现出钝性，腐蚀效率低，结合界面的腐蚀性能明显降低，自腐蚀电流较大，耐蚀性能与基板Q345R接近；爆炸焊接结合界面形成的组织结构、化学成分和力学性能不均匀性，是结合界面耐腐蚀性能降低主要原因。

爆炸焊接复合板；结合界面；显微组织；耐蚀性

Monel400有极好的耐蚀性，对还原性酸、碱类和海水都表现出较好的耐蚀效果[1]。Monel400/Q345R爆炸复合板兼具着蒙乃尔合金的良好耐蚀性和钢板高强度的综合性能，因此被大量用在石油化工、压力容器等许多耐蚀性产品中。

研究表明，材料的微观组织结构决定着耐蚀性能，材料的成分和热处理工艺决定着微观组织[2]。爆炸过程中，基板和复板受到高温高压作用，组织沿爆轰方向发生剧烈的塑性变形，结合界面处出现元素扩散并形成孔洞和微裂纹等缺陷，影响了力学性能和耐蚀性能。目前关于爆炸复合板的研究集中在优化工艺参数、研究组织结构的变化及其对力学性能的影响等方面[3-5]，关于爆炸复合板化学腐蚀方面的研究相对较少。

本文通过电化学腐蚀法研究爆炸复合板结合界面的耐蚀性能，并结合界面组织结构研究和元素扩散分析，探讨结合界面发生腐蚀的原因。

1 实验材料和方法

本试验材料为Monel400/Q345R爆炸复合板，复板为退火态的Monel400，厚度为3mm；基板为热轧态的Q345R，厚度为12mm，爆炸焊接后进行消应力退火处理。基板和复板的化学成分及力学性能见表1和表2。

表1 Monel400和Q345R化学成分 wt%

表2 Monel400和Q345R力学性能

沿爆炸方向制备爆炸焊接复合板截面试样，尺寸为15mm×15mm×10mm，经砂纸打磨、抛光、腐蚀后，采用德国蔡司Axiovert200 MAT金相显微镜、日本日立S-3400N扫描电镜(含EDS附件) 对结合界面组织结构、成分进行分析。

采用CHI660E型电化学工作站测定结合界面、基板和复板的Tafel 极化曲线。电极采用常规的三电极体系，参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂电极，电解液为3.5%的NaCl水溶液。测量动电位极化曲线后，重新打磨试件得到清洁的表面，进行电化学阻抗谱的测量，对测量结果进行处理得到Nyquist图。

2 实验结果及分析

2.1 结合界面微观结构和元素扩散

爆炸复合板结合界面呈现波状结合形貌，基板侧组织变化为细晶区、纤维区、扭转区和原始组织，如图1所示。

爆炸时的高温和高压使基板和复板发生强烈的塑性变形，紧靠结合界面处塑性变形最严重；经过退火处理后，变形晶粒发生回复和再结晶，在结合界面形成一层几十微米厚的超细晶粒带。远离界面处组织沿爆轰方向被拉长，呈现典型的纤维状，渗碳体完全碎化，破碎的片状渗碳体球化，渗碳体颗粒析出，弥散地分布在铁素体中。扭转区距离界面较远，所受的剪切力相对较小，晶粒的变形程度减弱。

图1 基板侧组织形貌

复板侧组织形貌如图2所示，变形量明显小于基板，由细晶区和原始组织组成，可以看到明显的流变线。郑远谋等[6]研究表明，结合界面处镍基合金也发生了塑性变形，经过退火处理，变形晶粒发生再结晶，晶粒细化，保留着原始的等轴奥氏体形貌。

结合界面处存在大量的熔化层和漩涡，如图3所示。熔化层多数分布在波谷处，内部含有孔洞和金属夹杂。漩涡是结合界面处的缺陷之一，主要由柱状晶组成，柱状晶垂直漩涡边缘向内部生长，漩涡内部有大量的裂纹存在，漩涡冷却速度极快，形成内应力导致裂纹的产生。

图2 复板侧组织形貌

图3 结合界面熔化组织

爆炸过程中，基板和复板的元素发生扩散。图4为结合界面处线扫描图谱。

图4 结合界面线扫描图谱

由图谱可知，结合界面处Fe、Ni和Cu三种元素含量发生了较大的变化。Fe元素由基板向复板扩散，Ni和Cu元素由复板向基板扩散。过渡区域的宽度大约为10μm。熔合区的成分介于基板和复板之间，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，混合后形成凝固组织。

由此可知，结合界面的组织结构和化学元素的分布极不均匀。

2.2 电化学腐蚀

2.2.1 极化曲线

测得爆炸复合板基板、复板和结合界面在3.5%NaCl溶液中的动电位极化曲线，如图5所示。

图5 Monel400/Q345R爆炸复合板在3.5%NaCl溶液中的Tafel极化曲线

动电位极化曲线结果表明，复板Monel400合金和结合界面在3.5%NaCl溶液中都表现出一定的钝性。在电极的钝化区，电极表面会形成一层致密的氧化膜，阻止合金进一步腐蚀。根据有关的腐蚀理论可知，腐蚀电流和腐蚀电位表示试样在NaCl溶液中的耐腐蚀能力的大小。一般认为，腐蚀电流越小，材料的抗腐蚀能力越强，腐蚀电位越高，材料的耐蚀性也越强。表3为试验过程中测得的爆炸复合板Monel400/Q345R不同界面的自腐蚀电位(Ecorr)和自腐蚀电流(Icorr)。

表3 爆炸复合板Monel400/Q345R不同界面电化学腐蚀试验结果

由表3可知，复板Monel400的自腐蚀电位高于界面和基板的腐蚀电位，且自腐蚀电流最低，因此Monel400的耐蚀性能最好；结合界面的自腐蚀电位为-0.57V，明显低于复板Monel400的-0.23V，自腐蚀电流也高出许多，所以爆炸复合板结合界面的耐蚀性明显低于复板的耐蚀性。

Monel400的耐蚀性能最好，是因为在Monel400表面易形成一层牢固附着在基体上的、极其致密的钝化膜[7]，使其难以发生腐蚀。复合板结合界面耐蚀性明显下降，根据2.1对结合界面组织结构的分析可知，由于爆炸时强大的冲击压力使结合界面处的组织发生严重的塑性变形和熔化，甚至出现裂纹等缺陷，导致该区域组织结构、力学性能的不均匀性。郑远谋[8]认为复合板结合界面处组织的强烈塑性变形、大量熔化，即物理和化学的不均匀性导致爆炸复合板结合界面腐蚀速率增加。结合界面处发生明显的元素扩散现象，局部发生熔化，基板和复板成分混合生成新相。爆炸复合板结合界面处形成新相、存在裂纹等缺陷使复合板不能很好地被表面的钝化膜保护，导致结合界面处的耐腐蚀性能降低[9]。

2.2.2 交流阻抗谱

测得爆炸复合板三个不同界面在3.5%NaCl水溶液中的Nyquist图如图6所示。

图6 三种爆炸复合板界面在3.5%NaCl溶液中的Nyquist图

从图6中可以看出，三个不同界面的容抗弧不同。在 Nyquist 图上，容抗弧的半径反映电子迁移时受到的电阻大小[10]。圆弧半径越大，对电子转移的阻碍作用就越大，不易发生电子得失，金属即不易腐蚀。复板Monel400的容抗弧半径大于结合界面和基板Q345R，说明结合界面的耐蚀性能低于复板的耐蚀性，原因如2.1所述，结合界面组织结构、力学性能的不均匀性及缺陷等导致耐蚀性能的下降。

3 结论

(1) 复板Monel400在3.5%NaCl水溶液中腐蚀电流小，腐蚀电位高，具有良好的腐蚀性能。复合板结合界面的腐蚀性能明显下降，接近基板Q345R的腐蚀性能。

(2) Monel400/Q345R复合板结合界面处组织结构不均匀，存在熔化、漩涡及裂纹等缺陷，发生金属元素的扩散，导致了结合界面耐蚀性降低。

[1]邢卓,赵杰.复合钢板Monel 400/16MnDR的焊接[J].化工设备与管道,2008,45(2):57-61.

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[7]张鑫,张宪,孙汝东.Monel(400)合金在NaCl溶液中的电化学腐蚀行为[J].热加工工艺,2014,43(8):91-94.

[8]郑远谋.爆炸焊接金属复合材料的腐蚀与防护[J].腐蚀与防护,2002,23(2):68-72.

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[10]夏鸿博,王少刚,贲海峰.钛/铝爆炸复合板的耐腐蚀性能研究[J].石油化工腐蚀与防护,2014,31(1):6-10.

(责任编辑:赵丽琴)

Reasearch on Electrochemical Corrosion Resistance of the Monel400/Q345R Explosive Welding Composite Plate

LI Bing1,LV Dechao1,LIN Dongsheng2,WANG Shuang3,ZHANG Gang1

(1.Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China;2.Great Wall motor Co.,Ltd,Baoding 071000,China；3.Liaoning Zhongwang Group Co.,Ltd,Liaoyang 111003,China)

The electrochemical corrosion resistance of Monel400/Q345R explosion welding composite plate is investigated with dynamic potential polarization curve and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) measurement respectively.The results show that Monel400 exhibits passivity,lower corrosion rates.The corrosion resistance is excellent.While the corrosion resistance of the explosive welding interface decreases,corrosion current increases.It is mainly due to the inhomogeneity of microstructure,chemical composition and mechanical property.

explosive welding composite plate;bond interface;microstructure;electrochemical corrosion

2015-11-09

李冰(1990—)，男，硕士研究生；通讯作者:张罡(1963—)，男，教授，博士，研究方向:爆炸焊接及材料表面先进改性技术。

1003-1251(2017)01-0013-04

TG456.6

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