堆焊層數對熱絲脈沖TIG堆焊Inconel 625的腐蝕性能研究

歐陽志英，朱 威，任 飆

(1. 上海海隆石油管材研究所，上海 200949；2. 上海海隆石油化工研究所，上海 200949)

0 前 言

隨著全球工業化加速發展和能源需求量的增加，油氣勘探開采區域逐漸由淺海轉向深海和超深海[1]。深海油氣田中原油和天然氣含有大量的硫化氫、二氧化碳和氯化物，構成一種苛刻的腐蝕環境，對管道造成嚴重的腐蝕[2]。雙金屬復合材料可以解決這一問題，由碳鋼(外層)和耐蝕合金(內層)組成的碳鋼/鎳基合金復合材料既能滿足耐蝕性又能保證經濟效益最大化。堆焊是冶金制備雙金屬層復合管材料的手段之一，堆焊表面改性以碳鋼或低碳合金鋼作為基體，將耐蝕合金材料堆焊在基體與腐蝕介質接觸的表面，可提高設備的耐蝕性能，同時顯著降低成本[3]。而Inconel 625高溫鎳基合金由于具有良好的屈服強度、耐腐蝕性能以及可加工性與焊接性等優點，被廣泛應用于航空航天、石油化工等領域，也常作為耐蝕性較差的碳鋼管內保護涂層[4，5]。

國內外學者對Inconel 625堆焊的腐蝕性能都有大量的研究。郭龍龍等[6]采用熱絲脈沖TIG(惰性氣體鎢極保護焊)工藝在AISI 4130表面堆焊Inconel 625，并對堆焊層的組織性能進行了研究，結果表明，堆焊層主要由γ - Ni固溶體、分布在晶間不規則的Laves相和顆粒狀的MC碳化物組成，堆焊層表面的Fe元素含量為1.81%，且其腐蝕性能與鑄態Inconel 625的相當。Kim等[7]采用ESW(Electroslag welding)工藝研究了焊接電流引起的熱輸入變化對Inconel 625堆焊層晶間腐蝕敏感性的影響，結果表明，隨著熱輸入增加，Fe元素稀釋率增加，腐蝕速率增加，但晶間腐蝕敏感性無法確定。Jung[8]研究對比了GMAW(Gas metal arc welding)工藝堆焊Inconel 600和Inconel 625的腐蝕性能，結果表明Inconel 625堆焊層的耐蝕性更優。Adamiec[9]對Inconel 625堆焊層在高溫腐蝕氣體中的腐蝕行為進行了研究，結果表明堆焊層的高耐蝕性是由于不斷形成的Cr2O3鈍化膜的保護作用，但堆焊層中的Fe含量過高會降低其耐腐蝕性能。盡管以上學者對Inconel 625堆焊層的腐蝕性能進行了深入研究，但有關堆焊層數對于其腐蝕行為和腐蝕性能的影響研究較少。

熱絲脈沖TIG工藝是在傳統的TIG工藝基礎上發展起來的。一般情況下，填充焊絲都是在冷卻狀態下送進，熱絲脈沖TIG工藝采用預熱焊絲，具有提高焊接效率、降低母材稀釋率等優點[10，11]。本工作采用熱絲脈沖TIG工藝在20鋼表面堆焊Inconel 625合金，重點對不同堆焊層數時的電化學腐蝕性能和晶間腐蝕性能進行了研究。

1 試 驗

1.1 材料與堆焊

選用基體為20鋼板，尺寸為250 mm×250 mm×30 mm，其化學成分見表1。待堆焊表面需打磨至粗糙度Ra為0.8 μm，焊前用丙酮清洗焊接區域油污。焊絲選用牌號為ERNi - CrMo - 3(Inconel 625)，直徑為1.2 mm，其化學成分見表2所示。

表1 基體20鋼的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of matrix 20 steel (mass fraction)

表2 Inconel 625焊絲的化學成分(質量分數)Table 2 Chemical composition of Inconel 625 welding wire(mass fraction)

試驗選用焊接設備為Fronius自動熱絲脈沖TIG焊接系統，堆焊參數見表3所示，保護氣體為純氬氣。焊道長180 mm，分別堆焊1層和2層，1層厚度約為 3.0 mm，2層厚度約為5.5 mm。焊接后空冷至室溫，堆焊層表面平坦并帶有均勻波紋，經滲透探傷未發現明顯缺陷。

表3 熱絲脈沖TIG堆焊參數

1.2 腐蝕試驗

電化學測試選用Gamry reference 600電化學工作站，試樣切割成待測表面尺寸為10 mm×10 mm方塊，用導線焊在試樣背面制作引線并用鑲嵌粉封裝，待測表面用砂紙依次打磨至1 000目，并用丙酮清洗風干，測試溶液為3.5%(質量分數)NaCl。電化學測試采用三電極體系，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑電極，試樣為工作電極。動電位極化曲線測試掃描速率為0.167 mV/s，相對于開路電位-0.15 V掃描至1.50 V。交流阻抗選用頻率范圍為1.0×(10-2～105) Hz，交流擾動振幅為10 mV。

按照ASTM G28 A進行晶間腐蝕試驗，將堆焊層截取成30 mm×25 mm×2 mm的試樣，其各面逐漸打磨至1 000目并用丙酮清洗干凈。腐蝕溶液為25 g Fe2(SO4)3+236 mL 95%～98%(質量分數)H2SO4+400 mL H2O,試驗過程中保持溶液處于沸騰狀態，試驗時間為120 h。試驗后，采用VEGAⅡXMH型掃描電鏡觀察試樣的表面及截面腐蝕形貌。

1.3 元素分布表征

沿垂直堆焊方向機械加工為25 mm×25 mm×10 mm的試樣，然后將試樣水磨至1 000目，用氧化鋁拋光粉拋光至鏡面效果，并用丙酮清洗干凈，用王水金相腐蝕溶液侵蝕50 s后采用帶有EDS功能的VEGAⅡXMH型掃描電鏡進行線掃描，Fe元素定量分析采用0.5 mm間隔的點掃描進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 電化學試驗

圖1為Inconel 625焊絲單層、雙層堆焊和基體20鋼在3.5%NaCl溶液中靜置2 h后的Bode譜和Nyquist譜。

從圖1a可以看出，雙層堆焊在更寬頻率范圍內出現的相位角在80°左右，而單層堆焊在頻率范圍內出現的相位角約75°，且寬度明顯變窄，基材相位角的頻率范圍最窄約為60°。相位角出現的頻率范圍越寬角度越大，表明其耐蝕性能越好，因此，雙層堆焊的耐蝕性能要優于單層堆焊的，基體的耐蝕性能最差。而阻抗模量和頻率曲線的斜率與電荷轉移存在一定的關系，斜率越大，電荷轉移電阻也越大。雙層堆焊的斜率最大，表明其阻礙腐蝕發生的能力最高，而基材斜率最小，最易發生腐蝕。從圖1b可以看出，雙層堆焊試樣呈現的容抗弧最大，堆焊單層較小，進一步說明雙層堆焊的耐腐蝕性能要優于單層堆焊的。而基材高頻部分表現為容抗弧，低頻出現了Warbug擴散，此時界面反應由擴散控制。此外，單、雙層堆焊的容抗弧要遠大于基材的，這表明堆焊層可明顯提高基材的耐腐蝕能力，對基材起保護作用。

圖2為Inconel 625焊絲單層堆焊、雙層堆焊和基體20鋼在3.5%NaCl溶液中靜置2 h后的極化曲線，其數據擬合結果見表4。

由圖2可知，基材呈現出典型的陽極溶解行為，而堆焊層材料發生了明顯的鈍化，且存在點蝕電位。結合圖2和表4可知，單層堆焊的擊穿電位Eb為650 mV，雙層堆焊的擊穿電位Eb提高了430 mV，點蝕擊穿電位是鈍化的金屬表面引起點蝕的最低電位，點蝕電位越低，越易發生點蝕，這表明單層堆焊相對于雙層堆焊更易發生點蝕。單層堆焊的自腐蝕電位Ecorr為-139.0 mV，雙層堆焊的Ecorr為-121.0 mV，相比基體，自腐蝕電位分別提高了374.0 mV和392.0 mV，表明Inconel 625堆焊層可顯著降低20鋼基體的腐蝕傾向，雙層堆焊的腐蝕傾向較單層堆焊的更低?；w20鋼的自腐蝕電流密度Jcorr為10.40 μA/cm2，單層堆焊和雙層堆焊的自腐蝕電流密度分別下降至0.08 μA/cm2和0.03 μA/cm2，分別下降了約99.3%和99.8%。從動力學角度分析，經過Inconel 625堆焊后，其腐蝕速率跳躍式下降，并且雙層堆焊的腐蝕速率要小于單層堆焊的。

表4 Inconel 625單層、雙層堆焊層及基材在3.5%NaCl溶液中的電化學性能

因此，結合阻抗譜和極化曲線，從動力學和熱力學角度分析，Inconel 625堆焊后，其耐均勻腐蝕能力明顯提高，雙層堆焊較單層堆焊更優；并且雙層堆焊的耐點蝕能力要高于單層堆焊的。

2.2 晶間腐蝕試驗

圖3為Inconel 625單層和雙層堆焊在晶間腐蝕試驗后的表面和截面SEM形貌。從圖3可以看出，單層堆焊表面為筍尖狀的腐蝕形貌，腐蝕表面為典型的柱狀晶核(圖3a)；雙層堆焊表面形成了密集的點蝕坑和腐蝕溝，且有少量的腐蝕坑邊緣已相互連接(圖3b)。表面腐蝕形貌均未觀察到明顯的晶間腐蝕裂紋。單層堆焊的截面腐蝕深度約 80 μm(圖3c)，而雙層堆焊的腐蝕深度約 40 μm(圖3d)。單層堆焊的腐蝕失重為268.30 g/m2，雙層堆焊的腐蝕失重為55.93 g/m2，雙層堆焊的失重量約為單層堆焊的1/5，結合表面和截面腐蝕形貌，其重量損失可能是由于晶間的腐蝕溶解導致柱狀樹枝晶掉落造成，留下柱狀的腐蝕坑形貌。

2.3 討論與分析

堆焊的本質是異種金屬材料的連接，在基體表面與焊絲熔化、結晶和凝固的過程。由于基材和焊絲成分的差異性，基體材料會向堆焊層發生遷移，即稀釋。通常來說，稀釋對堆焊層的影響是不利的，尤其是Fe元素的增多[12，13]。Fe元素的增加會導致堆焊層材料消耗的增加而提高成本，同時也會降低堆焊層的耐蝕性能。圖4為Inconel 625單層堆焊和雙層堆焊元素線掃描分析結果。從圖4可以看出，在融合線區域主要的合金元素均發生了明顯的改變，從堆焊層到基體，Ni、Cr元素急劇下降，Mo、Nb的含量出現明顯的下降，Ti的變化不明顯，而Fe元素含量明顯升高；且在單層堆焊內部合金元素含量變化較小，分布較為均勻；雙層堆焊中第2層堆焊層Cr、Ni元素的含量較第1層的明顯變高，Fe含量下降，Mo、Nb和Ti元素的變化不明顯，在堆焊層間的合金元素變化不明顯。而對于鎳基合金而言，Fe元素的含量對其腐蝕性能影響極大，Fe元素含量過高會導致耐腐蝕能力嚴重下降?？梢钥闯?，在堆焊層與基體的交界處，Fe元素含量變化劇烈。在雙層堆焊中，第2層堆焊中的Fe含量要明顯低于第1層的。雙層堆焊的Fe含量要始終低于單層堆焊的。在堆焊層表面，單層堆焊的Fe含量為26.5%，而雙層堆焊的Fe含量僅為3.1%。

從圖2可知，基體試樣呈典型的陽極溶解行為，而堆焊層試樣發生了明顯的鈍化現象。這是因為在堆焊層中較高含量的Ni和Cr元素，促進了堆焊層的鈍化，能有效地阻礙表面的Cl-進入金屬基體進行活化反應，而高含量的Cr易形成Cr2O3，增加鈍化膜的穩定性[14，15]。雙層堆焊中由于Fe元素稀釋的量較少，相比單層堆焊的Ni和Cr元素含量要高，所以具有更大的容抗弧、更高的自腐蝕電位和擊穿電位，其抗腐蝕能力要優于單層堆焊。

從圖3可知，堆焊層均沒有發生晶間腐蝕，而是在柱狀晶間區域發生腐蝕導致柱狀晶脫落留下柱狀的腐蝕坑。在Inconel 625堆焊過程中，易在晶間出現連續偏析，彌散分布著Laves相(Ni，Fe，Cr)2(Nb,Ti,Mo)[16，17]。其腐蝕電位要低于基體的，與基體形成腐蝕微電池，優先在晶間發生腐蝕，形成柱狀腐蝕坑。而單層堆焊中Fe元素的含量要明顯高于雙層堆焊的，更易在晶間析出Laves相且彌散的數量更多，晶間的腐蝕溶解導致柱狀晶的進一步脫落，留下更深更多的腐蝕坑。

3 結 論

采用熱絲脈沖TIG工藝在20鋼表面進行Inconel 625單層和雙層堆焊，獲得均勻波紋的堆焊層，通過對不同堆焊層的耐腐蝕性能進行分析，得到如下結論：

(1)單層堆焊的容抗弧要小于雙層堆焊的，基材的容抗弧最小，且出現Warbug擴散；單層和雙層堆焊的自腐蝕電位分別較基材的提高374.0 mV和392.0 mV，腐蝕電流密度分別下降約99.3%和99.8%；雙層堆焊的點蝕電位較單層的提高了430 mV。結合熱力學及動力學分析，Inconel 625能明顯提高20鋼基材的全面耐腐蝕能力，雙層堆焊的耐均勻腐蝕能力和抗點蝕能力要優于單層堆焊的。

(2)單層和雙層堆焊層均未發現明顯的晶間腐蝕，表現出良好的耐晶間腐蝕性能；單、雙層堆焊表現的腐蝕類型均為點蝕，沿著柱狀晶間貫穿腐蝕，單層堆焊的腐蝕深度明顯高于雙層堆焊的。

(3)堆焊層間的過渡區、堆焊層與基體的融合區元素含量變化較為明顯，堆焊層內元素含量較為均勻；雙層堆焊層內部的Fe含量要低于單層堆焊層的，具有更加良好的耐腐蝕性能。