镍基合金在爆炸焊接复合钢板上的应用

2020-06-24刘国洪薛小军

山东化工 2020年10期

刘国洪，薛小军

( 四川惊雷科技股份有限公司，四川宜宾 644623 )

1 绪论

爆炸焊接是利用炸药爆炸所产生的能量作为能源，使两种或多种金属材料形成牢固的固相结合的一种焊接方法[1]。爆炸焊接复合钢板是在基材钢板表面，运用爆炸焊接技术复合上一面或双面的不锈钢或有色金属，使复合板具有基材钢板的力学性能，又具有不锈钢或有色金属耐腐蚀性能的一种新型复合材料。

镍及镍合金具有良好的物理性能、力学性能和耐腐蚀性能，在多种腐蚀介质中具有良好的耐蚀性能，部分镍基合金对还原性的和氧化性的酸、碱具有很好的抗应力腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀的性能。然而，其价格也相对较昂贵，一定程度上限制了其使用。通过爆炸焊接技术将其生产成复合钢板，大大降低了材料成本，使其具有良好的的综合性能和较高的性价比，还可以节约贵重稀缺金属。因此，镍基合金爆炸焊接复合钢板在各种化工压力容器中的使用越来越广泛。

2 爆炸焊接原理简介

国内外学者对爆炸焊接原理进行了大量的研究，爆炸焊接的工艺装置原理一般如图1所示，图1(a)则是复材平行放置时的工艺装置简图。将基材放置在平整的基础上，再将复材放置在基材上，基材和复材一般平行放置，它们之间留有间隙y。然后在复材表面平铺上低速炸药1，在合适的位置放置雷管。炸药经雷管引爆后，爆轰波以速度Vd平行于复材表面传播，复材在爆轰产物巨大压力作用下向下弯折，在极短时间内，复材被加速到每秒几百米的速度，和基材碰撞，大量的碰撞点连成一个椭圆形,这个椭圆形以引爆点为圆心向外运动，速度达到每秒几千米。由于高速斜碰撞产生很大的压力(达到几万兆帕),大大超过材料自身的屈服强度，使得材料在碰撞点发生塑性剪切变形和热效应，形成波状界面结合，界面层有少量的熔化。同时，基材和复材之间形成一股金属微射流，可带走板材结合面上的氧化物与玷污物，起到焊接“自清理”的作用[2]。

材料的物理性质(强度、熔点等)、炸药的性能(密度、炮轰波速度等)、炸药与复材厚度均会影响到爆炸焊接的结合形态。通常情况下，希望得到细小的波状的结合形态。

注：1为炸药;2为保护层;3为复层钢板;4为基层钢板;5为雷管;6为爆轰产物

图1 爆炸焊接的工艺装置原理[3]

3 镍基合金的分类及应用

镍及镍基合金根据化学成分可以分为工业纯镍、Ni-Cu合金、Ni-Mo合金、Ni-Cr-Mo合金、Ni-Cr-Fe合金、Ni-Fe合金等[4]。随着爆炸焊接复合钢板的发展和应用，越来越多牌号的镍基合金被制造成复合钢板。

3.1 工业纯镍

颜色比银略黄而有光泽，具有优良的塑性和韧性，还具有耐大气、碱、淡水等介质的锈蚀能力。镍的成分占99%以上，含碳量不超过0.3%，在高温中比较稳定，有一定的热强性。N5、N7、Nickel 200、Nickel 201等牌号已用于爆炸复合钢板的制造。

3.2 Ni-Cu合金

典型的是蒙乃尔合金(Monel)，兼备Cu和Ni的耐蚀性，在还原介质中比Ni的耐蚀性强。Ni-Cu合金对中性水溶液、苛性碱溶液、稀硫酸和磷酸等具有良好的耐蚀性能，但在卤化物和浓硝酸溶液中耐蚀性较差。Monel 400等牌号已用于爆炸复合钢板的制造。

3.3 Ni-Mo合金

Hastelloy A系列和B系列，应用于复合钢板制造很少。

3.4 Ni-Cr-Mo合金

典型牌号有：Hastelloy C-276、C-4、C-22、VDM的59合金、SMC的6686合金。由于加入较多的Cr和Mo，具有较强的耐蚀性，如耐各种氧化性氯化物、氯化盐溶液、硫酸与氧化性盐的混合物和亚硫酸的腐蚀。Hastelloy C-276、C-22、C-4、59合金、6686合金等牌号已用于爆炸复合钢板的制造。

3.5 Ni-Cr-Fe合金

该类合金含镍量约占70%以上，包括SMC生产的Inconel 600系列和哈氏公司生产的Hastelloy G系列等。这种合金具有抗高温氧化和耐氯离子介质的应力腐蚀性能。Inconel 600和Inconel 625等牌号已用于爆炸复合钢板的制造。

3.6 Ni-Fe合金

Ni-Fe合金也称为Fe-Ni合金，其中Ni含量大于30%，Fe+Ni含量大于50%。商业系列主要包括Incoloy和Nicrofer，典型的牌号有Incoloy800、825等。在硫酸和磷酸介质中，具有良好的耐点腐蚀、应力腐蚀开裂和晶间腐蚀性能。Incoloy800、825等牌号已用于爆炸复合钢板的制造。

表1 几种镍基合金的典型化学成分(主要成分) %

4 镍基合金复合板的热处理

爆炸复合后，复合板需进行热处理，其主要目的是消除基材的加工硬化和残余应力，改善复合板的综合性能(力学性能和复材耐蚀性能)。和单一材料相比，复合板的热处理具有一定的特殊性，需综合考虑复材和基材两种材料的热处理特性，兼顾基材的力学性能和复材的耐蚀性能，保证复合板具有良好的综合性能。

镍基合金自身的固溶处理温度很高，并要求很快的冷却速度。图2列出了常见牌号的镍基合金的温度-时间敏化曲线，不同材料的敏化特性不同，甚至差异很大。其中很多复材在基材正火温度范围内会析出碳化物、金属间化合物等有害相，从而降低高合金的耐蚀性能。同样，基材在复材固溶温度范围内热处理，对基材的力学性能造成很大的影响。因此，复合板通常选择消应力热处理工艺，可以避免复材进入敏化温度区间，有效保证复材耐蚀性能。同时，对于要求在正火状态下使用的基层材料而言，复合板消应力热处理未改变基材的微观组织和热处理状态，因此，也能够满足标准或客户对基材热处理状态的要求。

为了检验复合板热处理的效果，可根据材料的特性进行相应的腐蚀试验。常用的晶间腐蚀试验方法有ASTM G28(A法、B法)、ASTM A262(B法、C法等)，点腐蚀试验方法为ASTM G48A法。特殊情况下，还可进行模拟工况条件下的应力腐蚀试验。不同牌号的镍基合金，采用同一腐蚀试验方法得到的腐蚀速率有时差异很大，因此，在选择这些腐蚀试验方法时，应合理选择腐蚀试验的判据。

4.1 C-276复合板的热处理

C-276合金是Ni-Cr-Mo合金，是哈氏合金C家族最具代表和使用最多的合金。由于Hastelloy C-276在固溶状态下具有很高的耐蚀性和耐热性，因此它被广泛运用于多种苛该的环境中，尤其适用于混入铁离子Fe3+等强氧化性离子的硫酸、盐酸溶液。

C-276合金的固溶温度为1150～1175℃，快速冷却。由于C-276合金在600～1050℃温度范围内，短时间保温就进入敏化区域，因此，应当严格控制材料在该温度范围内的停留时间。当在敏化温度范围内加热和保温，或高温固溶处理的冷速不够快，会导致显微组织中存在析出相(如μ相、碳化物等)。因此，C-276复合板一般采用消应力热处理或固溶处理。表2列出C-276合金复合板的典型腐蚀性能数据，腐蚀速率和原材料相当。

表2 C-276复合板腐蚀性能数据

图2 镍基合金敏化曲线

4.2 825复合板的热处理

825合金是一种添加了钼、铜、钛元素的Ni-Fe合金，在还原性介质和氧化性介质中均有良好的应用。825合金的稳定化处理的温度范围是920～980℃，最合适的是940±10℃，快速冷却。这个温度恰好也在碳钢的正火温度范围内，选择正火工艺可以很好地兼顾了复材退火和基材正火。同样，825合金复合板的热处理方式可以选择消应力热处理。表3列出825合金复合板ASTM G28方法A腐蚀性能数据，表4列出825合金复合板ASTM A262方法C腐蚀性能数据，腐蚀速率均和原材料相当。