鎳基合金在爆炸焊接復合鋼板上的應用

劉國洪，薛小軍

( 四川驚雷科技股份有限公司，四川 宜賓 644623 )

1 緒論

爆炸焊接是利用炸藥爆炸所產生的能量作為能源，使兩種或多種金屬材料形成牢固的固相結合的一種焊接方法[1]。爆炸焊接復合鋼板是在基材鋼板表面，運用爆炸焊接技術復合上一面或雙面的不銹鋼或有色金屬，使復合板具有基材鋼板的力學性能，又具有不銹鋼或有色金屬耐腐蝕性能的一種新型復合材料。

鎳及鎳合金具有良好的物理性能、力學性能和耐腐蝕性能，在多種腐蝕介質中具有良好的耐蝕性能，部分鎳基合金對還原性的和氧化性的酸、堿具有很好的抗應力腐蝕、點腐蝕和縫隙腐蝕的性能。然而，其價格也相對較昂貴，一定程度上限制了其使用。通過爆炸焊接技術將其生產成復合鋼板，大大降低了材料成本，使其具有良好的的綜合性能和較高的性價比，還可以節約貴重稀缺金屬。因此，鎳基合金爆炸焊接復合鋼板在各種化工壓力容器中的使用越來越廣泛。

2 爆炸焊接原理簡介

國內外學者對爆炸焊接原理進行了大量的研究，爆炸焊接的工藝裝置原理一般如圖1所示，圖1(a)則是復材平行放置時的工藝裝置簡圖。將基材放置在平整的基礎上，再將復材放置在基材上，基材和復材一般平行放置，它們之間留有間隙y。然后在復材表面平鋪上低速炸藥1，在合適的位置放置雷管。炸藥經雷管引爆后，爆轟波以速度Vd平行于復材表面傳播，復材在爆轟產物巨大壓力作用下向下彎折，在極短時間內，復材被加速到每秒幾百米的速度，和基材碰撞，大量的碰撞點連成一個橢圓形,這個橢圓形以引爆點為圓心向外運動，速度達到每秒幾千米。由于高速斜碰撞產生很大的壓力(達到幾萬兆帕),大大超過材料自身的屈服強度，使得材料在碰撞點發生塑性剪切變形和熱效應，形成波狀界面結合，界面層有少量的熔化。同時，基材和復材之間形成一股金屬微射流，可帶走板材結合面上的氧化物與玷污物，起到焊接“自清理”的作用[2]。

材料的物理性質(強度、熔點等)、炸藥的性能(密度、炮轟波速度等)、炸藥與復材厚度均會影響到爆炸焊接的結合形態。通常情況下，希望得到細小的波狀的結合形態。

注：1為炸藥;2為保護層;3為復層鋼板;4為基層鋼板;5為雷管;6為爆轟產物

圖1 爆炸焊接的工藝裝置原理[3]

3 鎳基合金的分類及應用

鎳及鎳基合金根據化學成分可以分為工業純鎳、Ni-Cu合金、Ni-Mo合金、Ni-Cr-Mo合金、Ni-Cr-Fe合金、Ni-Fe合金等[4]。隨著爆炸焊接復合鋼板的發展和應用，越來越多牌號的鎳基合金被制造成復合鋼板。

3.1 工業純鎳

顏色比銀略黃而有光澤，具有優良的塑性和韌性，還具有耐大氣、堿、淡水等介質的銹蝕能力。鎳的成分占99%以上，含碳量不超過0.3%，在高溫中比較穩定，有一定的熱強性。N5、N7、Nickel 200、Nickel 201等牌號已用于爆炸復合鋼板的制造。

3.2 Ni-Cu合金

典型的是蒙乃爾合金(Monel)，兼備Cu和Ni的耐蝕性，在還原介質中比Ni的耐蝕性強。Ni-Cu合金對中性水溶液、苛性堿溶液、稀硫酸和磷酸等具有良好的耐蝕性能，但在鹵化物和濃硝酸溶液中耐蝕性較差。Monel 400等牌號已用于爆炸復合鋼板的制造。

3.3 Ni-Mo合金

Hastelloy A系列和B系列，應用于復合鋼板制造很少。

3.4 Ni-Cr-Mo合金

典型牌號有：Hastelloy C-276、C-4、C-22、VDM的59合金、SMC的6686合金。由于加入較多的Cr和Mo，具有較強的耐蝕性，如耐各種氧化性氯化物、氯化鹽溶液、硫酸與氧化性鹽的混合物和亞硫酸的腐蝕。Hastelloy C-276、C-22、C-4、59合金、6686合金等牌號已用于爆炸復合鋼板的制造。

3.5 Ni-Cr-Fe合金

該類合金含鎳量約占70%以上，包括SMC生產的Inconel 600系列和哈氏公司生產的Hastelloy G系列等。這種合金具有抗高溫氧化和耐氯離子介質的應力腐蝕性能。Inconel 600和Inconel 625等牌號已用于爆炸復合鋼板的制造。

3.6 Ni-Fe合金

Ni-Fe合金也稱為Fe-Ni合金，其中Ni含量大于30%，Fe+Ni含量大于50%。商業系列主要包括Incoloy和Nicrofer，典型的牌號有Incoloy800、825等。在硫酸和磷酸介質中，具有良好的耐點腐蝕、應力腐蝕開裂和晶間腐蝕性能。Incoloy800、825等牌號已用于爆炸復合鋼板的制造。

表1 幾種鎳基合金的典型化學成分(主要成分) %

4 鎳基合金復合板的熱處理

爆炸復合后，復合板需進行熱處理，其主要目的是消除基材的加工硬化和殘余應力，改善復合板的綜合性能(力學性能和復材耐蝕性能)。和單一材料相比，復合板的熱處理具有一定的特殊性，需綜合考慮復材和基材兩種材料的熱處理特性，兼顧基材的力學性能和復材的耐蝕性能，保證復合板具有良好的綜合性能。

鎳基合金自身的固溶處理溫度很高，并要求很快的冷卻速度。圖2列出了常見牌號的鎳基合金的溫度-時間敏化曲線，不同材料的敏化特性不同，甚至差異很大。其中很多復材在基材正火溫度范圍內會析出碳化物、金屬間化合物等有害相，從而降低高合金的耐蝕性能。同樣，基材在復材固溶溫度范圍內熱處理，對基材的力學性能造成很大的影響。因此，復合板通常選擇消應力熱處理工藝，可以避免復材進入敏化溫度區間，有效保證復材耐蝕性能。同時，對于要求在正火狀態下使用的基層材料而言，復合板消應力熱處理未改變基材的微觀組織和熱處理狀態，因此，也能夠滿足標準或客戶對基材熱處理狀態的要求。

為了檢驗復合板熱處理的效果，可根據材料的特性進行相應的腐蝕試驗。常用的晶間腐蝕試驗方法有ASTM G28(A法、B法)、ASTM A262(B法、C法等)，點腐蝕試驗方法為ASTM G48A法。特殊情況下，還可進行模擬工況條件下的應力腐蝕試驗。不同牌號的鎳基合金，采用同一腐蝕試驗方法得到的腐蝕速率有時差異很大，因此，在選擇這些腐蝕試驗方法時，應合理選擇腐蝕試驗的判據。

4.1 C-276復合板的熱處理

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在固溶狀態下具有很高的耐蝕性和耐熱性，因此它被廣泛運用于多種苛該的環境中，尤其適用于混入鐵離子Fe3+等強氧化性離子的硫酸、鹽酸溶液。

C-276合金的固溶溫度為1150～1175℃，快速冷卻。由于C-276合金在600～1050℃溫度范圍內，短時間保溫就進入敏化區域，因此，應當嚴格控制材料在該溫度范圍內的停留時間。當在敏化溫度范圍內加熱和保溫，或高溫固溶處理的冷速不夠快，會導致顯微組織中存在析出相(如μ相、碳化物等)。因此，C-276復合板一般采用消應力熱處理或固溶處理。表2列出C-276合金復合板的典型腐蝕性能數據，腐蝕速率和原材料相當。

表2 C-276復合板腐蝕性能數據

圖2 鎳基合金敏化曲線

4.2 825復合板的熱處理

825合金是一種添加了鉬、銅、鈦元素的Ni-Fe合金，在還原性介質和氧化性介質中均有良好的應用。825合金的穩定化處理的溫度范圍是920～980℃，最合適的是940±10℃，快速冷卻。這個溫度恰好也在碳鋼的正火溫度范圍內，選擇正火工藝可以很好地兼顧了復材退火和基材正火。同樣，825合金復合板的熱處理方式可以選擇消應力熱處理。表3列出825合金復合板ASTM G28方法A腐蝕性能數據，表4列出825合金復合板ASTM A262方法C腐蝕性能數據，腐蝕速率均和原材料相當。

表3 825復合板ASTM G28方法A腐蝕性能數據

表4 825復合板ASTM A262方法C腐蝕性能數據

5 結語

鎳基合金具有優異的耐腐蝕性能，爆炸焊接技術的應用，降低了材料的使用成本。因此，鎳基合金爆炸焊接復合鋼板的種類越來越多，應用越來越廣發。

在鎳基合金復合板的制造過程中，應當根據鎳基合金自身特性、耐腐蝕性能要求及基材力學性能要求來選擇適當的熱處理工藝。適當的熱處理既保證了鎳基合金的耐腐蝕性能，又恢復和改善了復合板的力學性能。