热处理工艺对爆炸焊接C276/Q345R金属复合板性能的影响

供稿|周杰 / ZHOU Jie

C276哈氏合金是一种含W的Ni-Cr-Mo合金，具有极佳的抗点蚀和晶间腐蚀性能[1]。较高的Cr和Ni含量使得C276耐Cl–腐蚀性能优异，因而哈氏合金在核电工程、电力环保、石化设备等强酸腐蚀性环境中广泛使用[2-3]。鉴于C276昂贵的市场价格，目前工业中普遍将哈氏合金与碳钢复合使用，既保证了高耐蚀性又满足强度需求。

经过爆炸焊接的C276/Q345R复合板需要进行热处理来消除爆炸应力，而爆后热处理工艺往往是哈氏合金-钢复合板综合质量的决定性因素。目前已有的热处理工艺通常会造成复合板结合界面显微硬度偏高影响后续的机加工，或复层耐蚀性丧失导致整板耐蚀性不达标等问题，致使C276/Q345R复合板良品率较低[4]。本文以爆炸焊接C276/Q345R复合板为研究对象，通过对比分析的方法，重点研究了低温退火和高温正火对复合板整体性能的影响。

实验材料与方案

实验材料

采用C276哈氏合金(复板)和Q345R低合金钢(基板)为实验材料，规格分别为2030 mm×1030 mm×2 mm和2000 mm×1000 mm×10 mm，其主要化学成分如表1和表2所示。

采用平行安装法制备C276/Q345R复合板，选用低猛度和低爆速的乳化炸药并掺入石英砂，进一步降低爆速。在炸药与复板C276之间加上缓冲层，避免爆轰波作用导致复板表面被灼伤或产生裂纹等缺陷。根据经验公式计算爆炸焊接工艺参数[5-8]，最终制得规格尺寸为2000 mm×1000 mm×(2+10) mm的C276/Q345R复合板，图1为C276/Q345R复合板爆炸焊接示意图。

表1 C276哈氏合金化学成分(质量分数，%)

表2 Q345R低合金钢化学成分(质量分数，%)

图1 C276/Q345R复合板爆炸焊接示意图

实验方案

据相关资料显示，哈氏合金C276在550～950℃范围内会发生敏化，晶界产生大量析出相，导致晶界耐腐蚀性能降低，产生晶间腐蚀敏感性。C276在敏化温度范围内停留的时间越长耐腐蚀性能下降幅度越大[9]。因此，经查阅大量文献并综合考虑C276/Q345R爆炸复合板常用热处理制度后，采用表3所示的实验方案对复合板进行热处理。

采用Dino-lite JSZ6(JX13)显微镜观察试板的微观组织形貌，利用微机控制液压万能实验机AUM/60W(LX05)进行拉伸实验，在GW-160G钢管弯曲实验机上完成试板弯曲实验，在HH-4(JF09)型数显恒温水浴锅中使用ASTM G48—2011(2015)实验方法完成腐蚀速率测定实验。

表3 C276/Q345R爆炸复合板热处理方案

实验结果与分析

实验结果

图2为C276/Q345R爆炸复合板试板切割成小样后的宏观形貌图。从图中可以看出，通过爆炸焊接方式结合到一起的C276/Q345R复合板外观结合情况良好，无裂纹、分层等缺陷。通过UT超声波探伤检测表明整板100%结合。不同热处理工艺后C276/Q345R复合板性能结果如表4所示。

图2 C276/Q345R爆炸复合板试板

实验分析

根据表4检测结果可知，无论是采用低温退火还是高温正火的热处理工艺，C276/Q345R爆炸复合板热处理后剪切强度等各项力学性能指标均达到标准要求，部分指标高于标准值200%以上。

在爆轰力的作用下，复合板波状结合面发生巨大的塑性变形，界面处组织的显微硬度在爆炸硬化的作用下大幅增加，超过了基板和复板的原始组织硬度。从表4中可见，同一热处理工艺下，两次测得的硬度值有一定偏差，这是因为复合板硬度的变化趋势是从界面向两侧逐渐降低的，偏差值在合理范围内。随着热处理温度的提高，复合板界面处显微硬度总体呈下降趋势。当热处理温度升高到1120 ℃后，此时复合板界面显微硬度相比低温退火降低了约200 HV，接近于基体低合金钢Q345R的硬度。基于以上分析结果，可以得出C276/Q345R复合板爆炸焊接后采用高温正火的热处理工艺有利于降低复合板的显微硬度。从表4中还可以看出，1000 ℃和1120 ℃热处理后的复合板剪切强度与显微硬度变化趋势类似，虽然有所下降但是均远高于210 MPa的标准值。

表4 热处理后C276/Q345R爆炸复合板理化性能检测结果

除了力学性能外，复层C276哈氏合金的耐蚀性也是衡量C276/Q345R爆炸复合板综合性能的关键指标。从表4可以看出，除了1000 ℃正火外，其余热处理工艺下检测到的C276/Q345R爆炸复合板复层耐蚀性均高于标准值，满足工业环境使用要求。图3为复合板1000 ℃正火后复层的显微组织图。从图中可以看出，该热处理工艺下整个复层布满了腐蚀孔洞，出现了极其严重的晶间腐蚀现象。通过分析可知，1000 ℃热处理下，C276析出了大量的弥散分布的金属间相，这些相的析出无形中增加了晶界在合金成分方面的不均匀性，导致复层耐腐蚀性能急剧下降。

图4为复合板在1120 ℃热处理并采用空冷和水冷两种不同冷却方式后复层的显微组织图。通过对比分析可以发现，水冷条件下复层C276中的二次析出相数量相对更少，说明1120 ℃采用水冷方式的C276/Q345R复合板具有更好的耐蚀性，与表4检测结果相一致。这是因为水冷条件下，复层C276具有更快的冷却速度，在敏化温度范围内停留的时间更短。虽然空冷条件下复层的耐蚀性不及水冷，但是仍然完全满足≤2.75 mm/a的标准要求。

图3 热处理1000 ℃，30 min并空冷后复层显微组织

图4 不同冷却速率下1120 ℃热处理后复层显微组织：(a)空冷；(b)水冷

结束语

(1)C276/Q345R爆炸复合板无论是采用500～550 ℃低温退火，还是1120 ℃高温正火的热处理工艺，其力学性能及耐蚀性指标均高于标准值，满足环境使用要求。

(2)1120 ℃高温正火后的复合板界面显微硬度得到充分改善，接近于基板Q345R的硬度，有利于后续的机加工处理；而500～550 ℃低温退火后的复合板界面显微硬度仍然较高。

(3)C276/Q345R爆炸复合板最佳的热处理工艺是1120 ℃，30 min/水冷，这样既保证了复合板具有良好的力学性能，又保证了复层耐蚀性不会丧失。