熱等靜壓對Inconel 690合金堆焊層腐蝕行為的影響

車洪艷，陳峰，董浩，劉國輝

（1.安泰科技股份有限公司，北京100081；2.河北省熱等靜壓工程技術(shù)研究中心，涿州072750；3.蘭州理工大學(xué)有色金屬先進(jìn)加工與再利用省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州730050）

熱等靜壓對Inconel 690合金堆焊層腐蝕行為的影響

車洪艷1，2，陳峰3，董浩1，2，劉國輝1，2

（1.安泰科技股份有限公司，北京100081；2.河北省熱等靜壓工程技術(shù)研究中心，涿州072750；3.蘭州理工大學(xué)有色金屬先進(jìn)加工與再利用省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州730050）

采用TIG焊在不銹鋼表面堆焊Inconel 690合金，并取部分試件在壓強(qiáng)150 MPa，溫度為1 120℃的條件下熱等靜壓（HIP）處理2 h。借助于金相顯微鏡（OM）、掃描電鏡（SEM）觀察了HIP處理前后Inconel 690合金堆焊層的組織以及浸泡腐蝕后的微觀形貌；并通過浸泡腐蝕試驗(yàn)、極化曲線和電化學(xué)阻抗譜，研究了HIP對堆焊層在含Cl－溶液中腐蝕行為的影響。結(jié)果表明：HIP處理后堆焊層內(nèi)部晶界處析出大量碳化物（Cr23C6），致使其在腐蝕液中由先前的點(diǎn)蝕轉(zhuǎn)變?yōu)榱司чg腐蝕；HIP處理后堆焊層的耐蝕性變差，其腐蝕速率約為HIP處理前的2.3倍。

Inconel 690合金；熱等靜壓；堆焊層；腐蝕

核電作為一種具有很大潛力的清潔能源，近年來在我國得到了快速發(fā)展。目前，國內(nèi)核電站大多為壓水堆核電站，并且未來建造的核電站也將以安全性更高的壓水堆核電站為主。Inconel 690合金是20世紀(jì)70年代美國開發(fā)的一種耐應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）優(yōu)良的鎳基合金，該合金被認(rèn)為是繼18-8不銹鋼、Inconel 600合金和Incoloy 800合金之后，用于壓水堆蒸發(fā)器的最佳耐應(yīng)力腐蝕開裂的材料［1-2］。Inconel 690合金不僅在氫氧化鈉溶液中具有比Inconel 600、Incoloy 800、304L不銹鋼更優(yōu)異的耐SCC性能，還具有較高的強(qiáng)度、良好的冶金穩(wěn)定性和優(yōu)良的加工特性［3］，因此在核電領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。某三代核電站關(guān)鍵部件是通過在不銹鋼表面鎢極氬弧焊（TIG）堆焊Inconel 690合金制造而成的，其目的是為了增強(qiáng)核電站關(guān)鍵部件的耐磨性和耐蝕性；該關(guān)鍵部件在常溫下運(yùn)行，且在運(yùn)行過程中由于循環(huán)水回路中經(jīng)常會帶入Cl－，容易發(fā)生各種腐蝕破壞現(xiàn)象。點(diǎn)蝕是其中最為重要的一種腐蝕形式，而Cl－易造成鎳基合金發(fā)生點(diǎn)蝕失效［4-7］，從而嚴(yán)重影響工程構(gòu)建的安全性。Inconel 690合金堆焊完畢后，為了消除堆焊層內(nèi)部的孔隙，使組織更加致密化，還需對堆焊層進(jìn)行熱等靜壓處理。堆焊層經(jīng)熱等靜壓處理后，必然會對其耐蝕性產(chǎn)生一定的影響。因此，本工作通過浸泡腐蝕試驗(yàn)和電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)，針對熱等靜壓對Inconel 690合金堆焊層在Cl－溶液中腐蝕行為的影響進(jìn)行研究，以期為lnconel 690合金的實(shí)際應(yīng)用提供理論支持。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)用的材料為板厚30 mm的347不銹鋼鋼板，堆焊所用的材料為直徑1 mm的Inconel 690合金，Inconel 690合金的化學(xué)成分為：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不銹鋼表面多層多道堆焊厚度約10 mm的Inconel 690合金。堆焊完畢后，截取部分試件進(jìn)行熱等靜壓（HIP）處理。熱等靜壓工藝參數(shù)為：氬氣壓力150 MPa，溫度1 120℃，保溫2 h后空冷。

取HIP處理前、后的兩塊試件，從堆焊層中沿頂部開始垂直于堆焊層的方向分別截取尺寸為10 mm×10 mm×10 mm（1號），40 mm×10 mm× 10 mm（2號）和10 mm×10 mm×3 mm（3號）的試樣。用METTER TOLEDO數(shù)字式智能密度計(jì)測試試樣的密度。再將上述試樣研磨、拋光、侵蝕后，采用JSF-6700F型掃描電鏡（SEM）觀察HIP處理前后堆焊層試樣的微觀組織。

將2號試樣研磨、拋光后，參照GB／T 17897－1999《不銹鋼三氯化鐵點(diǎn)蝕實(shí)驗(yàn)方法》，使用電子不銹鋼恒溫水浴鍋，將HIP處理前后的試樣置于6％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）FeCl3+0.05 mol／L HCl的混合溶液中進(jìn)行恒溫（30℃）浸泡腐蝕試驗(yàn)，腐蝕168 h后取出，清洗、吹干后測其腐蝕質(zhì)量損失，并用掃描電鏡（SEM）觀察試樣腐蝕后的微觀形貌。

3號試樣的背面經(jīng)錫焊引出銅導(dǎo)線，用環(huán)氧樹脂密封，只留出10 mm×10 mm的工作面，工作面用砂紙逐級打磨并拋光。在室溫下進(jìn)行電化學(xué)試驗(yàn)，試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)三電極體系，參比電極為飽和甘汞電極（SCE），輔助電極為鉑電極，工作電極為試樣，試驗(yàn)溶液為3.5％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）NaCl溶液。試驗(yàn)設(shè)備采用CHI660E電化學(xué)工作站，試驗(yàn)前將試樣置于溶液中浸泡10 min，使電極表面在溶液中達(dá)到相對穩(wěn)定后開始測試，然后以20 mV／min的掃描速率測量其陽極極化曲線。電化學(xué)阻抗（EIS）譜測試的擾動電位為5 mV，測試頻率范圍為10 m Hz～100 k Hz，測試結(jié)果采用ZSimpWin軟件進(jìn)行擬合。

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀組織

經(jīng)密度計(jì)測量，HIP處理前后，Inconel 690合金堆焊層的密度分別為8.032 g／cm3和8.057 g／cm3。可見在高溫高壓條件下，堆焊層的致密度有一定程度的提升，即堆焊層內(nèi)部稀疏的組織變得更加致密。由圖1可見，HIP處理前堆焊層內(nèi)部由取向各異的柱狀樹枝晶與等軸晶的混合組織所組成；經(jīng)HIP處理后，堆焊層內(nèi)部轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅芫鶆虻膴W氏體組織，晶界處分布著連續(xù)的碳化物，這是Inconel 690合金所具有的明顯的組織特征，Sarver的研究表明Inconel 690合金中析出的碳化物主要是Cr23C［］。6

由圖2可見，未經(jīng)HIP處理的試樣發(fā)生了較為嚴(yán)重的點(diǎn)蝕，并向周圍拓展開裂，且蝕坑主要出現(xiàn)在堆焊層中焊縫的層與層之間，這是由于焊接相鄰的后一道焊縫時(shí)必然會使先前焊縫局部熔化，相當(dāng)于對先前的焊縫金屬造成局部的稀釋，這樣先前焊縫金屬中的C、S和P等原子序數(shù)較小的元素就會過渡至堆焊層中焊縫的層與層之間，于是該區(qū)域發(fā)生點(diǎn)蝕的傾向就會增大；經(jīng)HIP處理后，試樣出現(xiàn)了嚴(yán)重的晶間腐蝕現(xiàn)象，這是由于HIP處理后，大量的Cr23C6相沿晶粒邊界析出，由此產(chǎn)生了晶粒邊界的貧Cr區(qū)，貧Cr區(qū)使堆焊層內(nèi)部晶間腐蝕傾向加劇。由表1可見，經(jīng)過HIP處理，試樣在試驗(yàn)溶液中的腐蝕速率提升了近2.3倍。

表1 HIP處理前后堆焊層浸泡腐蝕試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 The immersion corrosion test results of surfacing cladding before and after HIP treating

2.2 極化曲線

由圖3可見，HIP處理前后的兩組試樣的極化曲線均表現(xiàn)出陽極鈍化現(xiàn)象，但鈍化膜穩(wěn)定存在的電位區(qū)間略有不同。未經(jīng)HIP處理的試樣的鈍化膜被擊破的電位稍滯后于經(jīng)HIP處理的試樣，這表明堆焊層經(jīng)熱等靜壓后其鈍化膜的穩(wěn)定性變差。表2為極化曲線相關(guān)電化學(xué)參數(shù)擬合結(jié)果。由表2可見，經(jīng)HIP處理后，試樣的自腐蝕電位發(fā)生輕微的負(fù)向移動，且其自腐蝕電流密度有所增加，這表明HIP處理使試樣的耐蝕性變差。這主要是由于堆焊層經(jīng)HIP處理后，由于晶粒邊界析出了大量的Cr23C6相，而在晶界處形成了貧Cr區(qū)，致使堆焊層易發(fā)生晶間腐蝕，因而其耐蝕性變差。

2.3 電化學(xué)阻抗譜

一般來說，容抗弧的大小與材料的耐蝕性有關(guān)，容抗弧越大，材料的耐蝕性越好。由圖4可見，HIP處理前后，試樣在3.5％的NaCl溶液中的阻抗均表現(xiàn)為一個(gè)的容抗弧，未經(jīng)HIP處理的試樣的容抗弧大于經(jīng)HIP處理試樣的，表明未經(jīng)HIP處理的試樣在3.5％的NaCl溶液中生成的鈍化膜具有更好的保護(hù)性，鈍化膜中發(fā)生的了離子轉(zhuǎn)移過程，即堆焊層的腐蝕過程為Cl－在鈍化膜中的傳輸過程［9-10］。采用如圖5所示的等效模擬電路對Nyquist曲線進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見表3。其中Rs為溶液電阻，Rt和Q分別為電荷轉(zhuǎn)移電阻和常相位角原件。考慮到生成鈍化膜的粗糙度等引起的彌散效應(yīng)，在等效電路中常用Q來代替純電容原件C，n為彌散效應(yīng)的程度（0＜n＜1），n值越大越接近于純電容。

表2 極化曲線相關(guān)電化學(xué)參數(shù)擬合結(jié)果Tab.2 Fitting results of electrochemical paramcters for surfacing cladding in tested solution before and after HIP treating

由表3可見，經(jīng)HIP處理后試樣的Rt變小，這與圖3中的極化曲線結(jié)論相一致，這表明Inconel690合金堆焊層經(jīng)HIP處理后，耐蝕性變差。

表3 EIS擬合結(jié)果Tab.3 Fitting results of EIS

3 結(jié)論

（1）Inconel 690合金堆焊層經(jīng)HIP處理后，組織更加均勻致密；HIP處理前堆焊層在腐蝕液中的腐蝕形式為點(diǎn)蝕，且蝕坑大都出現(xiàn)在堆焊層中焊縫的層與層之間；但HIP處理后堆焊層的腐蝕形式變?yōu)榫чg腐蝕，大量的Cr23C6相沿晶粒邊界析出所產(chǎn)生的貧Cr區(qū)是導(dǎo)致堆焊層內(nèi)部發(fā)生晶間腐蝕的主要原因。

（2）Inconel 690合金堆焊層經(jīng)HIP處理后，其耐蝕性變差，HIP處理后堆焊層的腐蝕速率約為HIP處理前的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屏蔽電機(jī)主泵推力盤材料國產(chǎn)化及應(yīng)用研究（2015zx06002002）

車洪艷（1977－），博士，高級工程師，主要從事熱等靜壓技術(shù)的研究工作，18901263291，chehongyan＠atmcn.com