热处理工艺对镍基合金/钢复合板性能的影响

刘燕平，赵 惠，李 莹，朱 磊

(1.西安天力金属复合材料有限公司， 西安 710201；2.陕西省层状金属复合材料工程研究中心， 西安 710201；3.国地联合工程研究中心， 西安 710201)

镍/钢爆炸复合板有效综合了钢基体的强度和镍复层的耐蚀性，节省了镍合金材料。但是镍/钢复合板的热处理一直是影响其综合质量的关键点，主要体现在界面显微硬度偏高，复层耐蚀性不达标等[1-7]。文章以复层带焊缝的镍基合金C-276复合板为研究对象，对不同热处理工艺下复合板性能进行对比分析。

1 实验设备与方案设计

实验复层选用材料为厚度5 mm的镍基合金，其牌号为C276(该合金化学成分见表1)，拼焊方式为等离子自动焊，焊丝选用配套的ERNiCrMo-4，焊缝经RT检测，无焊接缺陷存在，基板选用厚度为46 mm的钢板，牌号为Q345R，爆炸复合后，复合板试板的规格为5(复层厚度)/46(基层厚度)×380×1 000 mm。

表1 C276合金的化学成分 %

利用OLYMPUS GX41光学显微镜及JSM-6700F扫描电镜观察试样微观组织形貌，采用MODEL55100型电子万能试验机进行拉伸试验，在LWS-160双工位钢筋冷弯试验机上完成复合板弯曲试验，HWY-30型低温水浴完成腐蚀速率测定试验等。

据文献[4]显示：镍基合金C-276在600～950 ℃温度区间内具有亚稳定性能，在此敏化温度区长时间滞留，可能受到敏化作用，产生晶间腐蚀敏感性，文章结合常用热处理制度，对复合板进行热处理，工艺方案设计如表2所示。

表2 C276/Q345R复合板热处理工艺方案

注：喷水—保温结束后，放置于空气中并配以雾状水加速冷却。

2 实验结果与分析

图1是复层带焊缝的镍/钢复合板的外观。从图中可以看出，爆炸焊接后的复合板从外观看，结合良好，无分层等缺陷。从复合板的超声波(UT检测) 结果来看：复合板结合良好，达到ASME 264-2011标准中1级要求。

图1 C276/Q345R爆炸复合板试板

针对不同热处理工艺下的复合板试板，检验各自的力学性能，检测结果见表3。可以看出：五种热处理工艺下，复合板的强度、弯曲(弯心直径为4D，弯曲角度为180°)、冲击、剪切性能均达到标准要求。

复合板界面硬度高主要是受爆炸复合过程中爆炸硬化的影响，从表3可以看出：随着热处理温度的升高，复合板的加工硬化现象得到明显改善，界面处的显微硬度总体呈现下降态势，且热处理温度在1 000 ℃、1 100 ℃时，界面处显微硬度已接近基体(300HV+)硬度。热处理温度不仅影响复合板界面硬度，还影响复合板的剪切强度，从剪切结果来看，正火处理时，复合板的剪切强度虽有所下降，但是均高于标准要求200%以上。

表3 复合板性能结果汇总表

复合板的耐蚀性(检验方法选用ASTM G28 B法)是被关注的另一项关键指标，从表3可以看出：除1 000 ℃正火工艺下，复层的耐蚀性不满足标准要求外，其余热处理制度下复层的耐蚀性均达到标准要求。结合显微组织分析，1 000 ℃工艺下，复层析出大量金属间相，这些相的析出增大了晶界和晶粒本身在合金成分和结构方面的不均匀性，导致其腐蚀性能降低，从图2的显微组织图可见，母材晶界可现明显晶间腐蚀裂纹和晶界加宽现象，说明试样存在较严重的晶间腐蚀；观察晶间腐蚀实验后试样的外观(如图3)可见，整个复层布满了腐蚀孔洞，且焊缝位置更为集中，该工艺下试板宏观与微观观察结果与耐蚀性实验结果是一致的，经能谱分析(见图4)，该析出相成分以Mo、W为主。

图2 3#试板复层显微组织

图3 3#试板复层腐蚀后外观

ElementWeight/%Atomic/%Cr K12.6217.74Fe K4.435.79Ni K34.2642.64Mo L39.7230.26W M8.983.57Totals100.00

对于1 100 ℃温度下的正火处理，对比空冷和水冷状态下试样的显微组织(见图5)可见，空冷条件下组织中二次相析出的量较多，这主要是因为空冷状态下，C-276冷却速率较慢，在敏化温度(600～950 ℃)区间停留时间较长，导致更多的二次相析出，但从腐蚀速率实验结果来看，仍完全满足标准≤2.75 mm/Y的要求。

图5 不同冷却方式下的C276显微组织

综上所述：对于复层为C-276的复合板，为了最大限度的改善爆炸硬化现象，降低界面硬度，并且有效保证复层的耐蚀性，应对复合板进行1 100 ℃下的正火，并配合尽可能大的冷却速率，减少二次相析出。

3 结论

1) C276/Q345R爆炸复合板试板在低温(480～550 ℃)退火或高温(1 100 ℃)正火，各项性能均能达到相关标准要求。

2) 采用低温(480～550 ℃)退火时，复合板爆炸硬化改善不充分，使复合板界面显微硬度过高，不利于后续加工。

3) 为了最大限度的改善爆炸硬化现象，降低界面硬度，并且有效保证复层的耐蚀性，应对复合板进行1 100 ℃加热后正火，并配合尽可能大的冷却速率，以减少二次相的析出。