热等静压对Inconel 690合金堆焊层腐蚀行为的影响

车洪艳，陈峰，董浩，刘国辉

（1.安泰科技股份有限公司，北京100081；2.河北省热等静压工程技术研究中心，涿州072750；3.兰州理工大学有色金属先进加工与再利用省部共建国家重点实验室，兰州730050）

热等静压对Inconel 690合金堆焊层腐蚀行为的影响

车洪艳1，2，陈峰3，董浩1，2，刘国辉1，2

（1.安泰科技股份有限公司，北京100081；2.河北省热等静压工程技术研究中心，涿州072750；3.兰州理工大学有色金属先进加工与再利用省部共建国家重点实验室，兰州730050）

采用TIG焊在不锈钢表面堆焊Inconel 690合金，并取部分试件在压强150 MPa，温度为1 120℃的条件下热等静压（HIP）处理2 h。借助于金相显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）观察了HIP处理前后Inconel 690合金堆焊层的组织以及浸泡腐蚀后的微观形貌；并通过浸泡腐蚀试验、极化曲线和电化学阻抗谱，研究了HIP对堆焊层在含Cl－溶液中腐蚀行为的影响。结果表明：HIP处理后堆焊层内部晶界处析出大量碳化物（Cr23C6），致使其在腐蚀液中由先前的点蚀转变为了晶间腐蚀；HIP处理后堆焊层的耐蚀性变差，其腐蚀速率约为HIP处理前的2.3倍。

Inconel 690合金；热等静压；堆焊层；腐蚀

核电作为一种具有很大潜力的清洁能源，近年来在我国得到了快速发展。目前，国内核电站大多为压水堆核电站，并且未来建造的核电站也将以安全性更高的压水堆核电站为主。Inconel 690合金是20世纪70年代美国开发的一种耐应力腐蚀开裂（SCC）优良的镍基合金，该合金被认为是继18-8不锈钢、Inconel 600合金和Incoloy 800合金之后，用于压水堆蒸发器的最佳耐应力腐蚀开裂的材料［1-2］。Inconel 690合金不仅在氢氧化钠溶液中具有比Inconel 600、Incoloy 800、304L不锈钢更优异的耐SCC性能，还具有较高的强度、良好的冶金稳定性和优良的加工特性［3］，因此在核电领域得到了广泛的应用。某三代核电站关键部件是通过在不锈钢表面钨极氩弧焊（TIG）堆焊Inconel 690合金制造而成的，其目的是为了增强核电站关键部件的耐磨性和耐蚀性；该关键部件在常温下运行，且在运行过程中由于循环水回路中经常会带入Cl－，容易发生各种腐蚀破坏现象。点蚀是其中最为重要的一种腐蚀形式，而Cl－易造成镍基合金发生点蚀失效［4-7］，从而严重影响工程构建的安全性。Inconel 690合金堆焊完毕后，为了消除堆焊层内部的孔隙，使组织更加致密化，还需对堆焊层进行热等静压处理。堆焊层经热等静压处理后，必然会对其耐蚀性产生一定的影响。因此，本工作通过浸泡腐蚀试验和电化学腐蚀试验，针对热等静压对Inconel 690合金堆焊层在Cl－溶液中腐蚀行为的影响进行研究，以期为lnconel 690合金的实际应用提供理论支持。

1 试验

试验用的材料为板厚30 mm的347不锈钢钢板，堆焊所用的材料为直径1 mm的Inconel 690合金，Inconel 690合金的化学成分为：wC0.03％，wSi0.06％，wMn0.88％，wNi58.82％，wCr27.19％，wFe10.82％，wNb2.0％，wP≤0.01％，wS≤0.01％。

采用TIG焊在347不锈钢表面多层多道堆焊厚度约10 mm的Inconel 690合金。堆焊完毕后，截取部分试件进行热等静压（HIP）处理。热等静压工艺参数为：氩气压力150 MPa，温度1 120℃，保温2 h后空冷。

取HIP处理前、后的两块试件，从堆焊层中沿顶部开始垂直于堆焊层的方向分别截取尺寸为10 mm×10 mm×10 mm（1号），40 mm×10 mm× 10 mm（2号）和10 mm×10 mm×3 mm（3号）的试样。用METTER TOLEDO数字式智能密度计测试试样的密度。再将上述试样研磨、抛光、侵蚀后，采用JSF-6700F型扫描电镜（SEM）观察HIP处理前后堆焊层试样的微观组织。

将2号试样研磨、抛光后，参照GB／T 17897－1999《不锈钢三氯化铁点蚀实验方法》，使用电子不锈钢恒温水浴锅，将HIP处理前后的试样置于6％（质量分数，下同）FeCl3+0.05 mol／L HCl的混合溶液中进行恒温（30℃）浸泡腐蚀试验，腐蚀168 h后取出，清洗、吹干后测其腐蚀质量损失，并用扫描电镜（SEM）观察试样腐蚀后的微观形貌。

3号试样的背面经锡焊引出铜导线，用环氧树脂密封，只留出10 mm×10 mm的工作面，工作面用砂纸逐级打磨并抛光。在室温下进行电化学试验，试验采用标准三电极体系，参比电极为饱和甘汞电极（SCE），辅助电极为铂电极，工作电极为试样，试验溶液为3.5％（质量分数，下同）NaCl溶液。试验设备采用CHI660E电化学工作站，试验前将试样置于溶液中浸泡10 min，使电极表面在溶液中达到相对稳定后开始测试，然后以20 mV／min的扫描速率测量其阳极极化曲线。电化学阻抗（EIS）谱测试的扰动电位为5 mV，测试频率范围为10 m Hz～100 k Hz，测试结果采用ZSimpWin软件进行拟合。

2 结果与讨论

2.1 微观组织

经密度计测量，HIP处理前后，Inconel 690合金堆焊层的密度分别为8.032 g／cm3和8.057 g／cm3。可见在高温高压条件下，堆焊层的致密度有一定程度的提升，即堆焊层内部稀疏的组织变得更加致密。由图1可见，HIP处理前堆焊层内部由取向各异的柱状树枝晶与等轴晶的混合组织所组成；经HIP处理后，堆焊层内部转变为致密均匀的奥氏体组织，晶界处分布着连续的碳化物，这是Inconel 690合金所具有的明显的组织特征，Sarver的研究表明Inconel 690合金中析出的碳化物主要是Cr23C［］。6

由图2可见，未经HIP处理的试样发生了较为严重的点蚀，并向周围拓展开裂，且蚀坑主要出现在堆焊层中焊缝的层与层之间，这是由于焊接相邻的后一道焊缝时必然会使先前焊缝局部熔化，相当于对先前的焊缝金属造成局部的稀释，这样先前焊缝金属中的C、S和P等原子序数较小的元素就会过渡至堆焊层中焊缝的层与层之间，于是该区域发生点蚀的倾向就会增大；经HIP处理后，试样出现了严重的晶间腐蚀现象，这是由于HIP处理后，大量的Cr23C6相沿晶粒边界析出，由此产生了晶粒边界的贫Cr区，贫Cr区使堆焊层内部晶间腐蚀倾向加剧。由表1可见，经过HIP处理，试样在试验溶液中的腐蚀速率提升了近2.3倍。

表1 HIP处理前后堆焊层浸泡腐蚀试验结果Tab.1 The immersion corrosion test results of surfacing cladding before and after HIP treating

2.2 极化曲线

由图3可见，HIP处理前后的两组试样的极化曲线均表现出阳极钝化现象，但钝化膜稳定存在的电位区间略有不同。未经HIP处理的试样的钝化膜被击破的电位稍滞后于经HIP处理的试样，这表明堆焊层经热等静压后其钝化膜的稳定性变差。表2为极化曲线相关电化学参数拟合结果。由表2可见，经HIP处理后，试样的自腐蚀电位发生轻微的负向移动，且其自腐蚀电流密度有所增加，这表明HIP处理使试样的耐蚀性变差。这主要是由于堆焊层经HIP处理后，由于晶粒边界析出了大量的Cr23C6相，而在晶界处形成了贫Cr区，致使堆焊层易发生晶间腐蚀，因而其耐蚀性变差。

2.3 电化学阻抗谱

一般来说，容抗弧的大小与材料的耐蚀性有关，容抗弧越大，材料的耐蚀性越好。由图4可见，HIP处理前后，试样在3.5％的NaCl溶液中的阻抗均表现为一个的容抗弧，未经HIP处理的试样的容抗弧大于经HIP处理试样的，表明未经HIP处理的试样在3.5％的NaCl溶液中生成的钝化膜具有更好的保护性，钝化膜中发生的了离子转移过程，即堆焊层的腐蚀过程为Cl－在钝化膜中的传输过程［9-10］。采用如图5所示的等效模拟电路对Nyquist曲线进行拟合，拟合结果见表3。其中Rs为溶液电阻，Rt和Q分别为电荷转移电阻和常相位角原件。考虑到生成钝化膜的粗糙度等引起的弥散效应，在等效电路中常用Q来代替纯电容原件C，n为弥散效应的程度（0＜n＜1），n值越大越接近于纯电容。

表2 极化曲线相关电化学参数拟合结果Tab.2 Fitting results of electrochemical paramcters for surfacing cladding in tested solution before and after HIP treating

由表3可见，经HIP处理后试样的Rt变小，这与图3中的极化曲线结论相一致，这表明Inconel690合金堆焊层经HIP处理后，耐蚀性变差。

表3 EIS拟合结果Tab.3 Fitting results of EIS

3 结论

（1）Inconel 690合金堆焊层经HIP处理后，组织更加均匀致密；HIP处理前堆焊层在腐蚀液中的腐蚀形式为点蚀，且蚀坑大都出现在堆焊层中焊缝的层与层之间；但HIP处理后堆焊层的腐蚀形式变为晶间腐蚀，大量的Cr23C6相沿晶粒边界析出所产生的贫Cr区是导致堆焊层内部发生晶间腐蚀的主要原因。

（2）Inconel 690合金堆焊层经HIP处理后，其耐蚀性变差，HIP处理后堆焊层的腐蚀速率约为HIP处理前的2.3倍。

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Influence of Hot Isostatic Pressing on Corrosion Behavior of Inconel 690 Alloy Surfacing Cladding

CHE Hong-yan1，2，CHEN Feng3，DONG Hao1，2，LIU Guo-hui1，2
（1.Advanced Technology＆Materials Co.，Ltd.，Beijing 100081，China；2.Engineering and Technology Research Center of Hot Isostatic Pressing，Zhuozhou 072750，China；3.State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Non-ferrous Metals，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China）

Inconel 690 alloy was deposited on the surface of 347 stainless steel by TIG surfacing technology，and a part of specimen was taken to be treated by hot isostatic pressing（HIP）treatment under the pressure of 150 MPa at 1 120℃for 2 hours.The microstructure of Inconel 690 alloy surfacing cladding before and after HIP treating and its micro morphology after immersion corrosion was obeserved by optical microscope（OM）and scanning electron microscopy（SEM）.Besides，the effect of HIP on corrosion behavior of Inconel 690 alloy surfacing cladding in Clsolution was studied by immersion corrosion，polarization curve and electrochemical impendence spectroscopy（EIS）.The results showed that a large number of carbide（Cr23C6）precipitated at the grain boundary of surfacing cladding，which caused surfacing cladding to convert pitting corrosion into intergranular corrosion in corrosive solution.The corrosion resistance of the surfacing cladding became worse by HIP treatment，and the corrosion rate of the surfacing cladding after HIP was 2.3 times than that before HIP.

Inconel 690 alloy；hot isostatic pressing（HIP）；surfacing cladding；corrosion

TG172

：A

：1005-748X（2016）11-0892-04

10.11973／fsyfh-201611007

2015-08-02

AP／CAP屏蔽电机主泵推力盘材料国产化及应用研究（2015zx06002002）

车洪艳（1977－），博士，高级工程师，主要从事热等静压技术的研究工作，18901263291，chehongyan＠atmcn.com