镍基合金复合板的制造及应用

　　摘 要： 由于镍基合金具有很好的耐腐蚀性能，其在海洋工程、制盐设备、化工设备、核工业、航天工业、治污工程等方面有着广泛的应用。但是，镍基合金的价格昂贵，在一定程度上限制了其使用。镍基合金复合板的研发，大大降低了使用镍基合金的成本。本文就镍基合金复合板的制造及应用进行简要的论述，主要阐述镍基合金复合板的爆炸复合、热处理等关键环节。
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　　关键词：镍基合金复合钢板 爆炸焊接 热处理
　　中图分类号：TG1 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2015）08-0327-02
　　一、镍基合金的种类及应用
　　按照合金的主要性能，可以把镍基合金分为镍基耐热合金、镍基耐蚀合金、镍基耐磨合金等；按照成分进行分类，可以分为Ni-Cu合金、Ni-Cr合金、Ni-Mo合金、Ni-Cr-Mo合金、Ni-Cr-Mo-Cu合金等。下面列举了几种常见牌号的镍基合金。
　　Monel 400（UNS N04400），一种Ni-Cu合金，在海水、稀氢氟酸、稀硫酸等腐蚀环境中具有优异的耐腐蚀性能。广泛应用于海洋工程、制盐设备、化工设备等领域。
　　Inconel 600（UNS N06600，简称600合金），一种Ni-Cr-Fe合金，具有很好的耐应力腐蚀开裂，耐碱腐蚀等性能。广泛用于石油化工、核工业等领域。
　　Inconel 625（UNS N06625，简称625合金），一种Ni-Cr-Mo合金，用于苛刻性腐蚀环境，尤其是存在缝隙腐蚀、点腐蚀及高温氧化环境中。广泛用于航天工程、化工设备、石油天然气开发、治污工程等领域。
　　Incoloy 825（UNS N08825，简称825合金），一种Ni-Fe-Cr-Mo-Ti合金，具有优异的耐硫酸和磷酸腐蚀性能，很好的耐点腐蚀、应力腐蚀开裂和晶间腐蚀性能。广泛用于化工设备、石油工程、治污工程等领域。
　　Hastelloy C-276（UNS N10276，简称C-276合金），具有优异的耐点腐蚀和应力腐蚀开裂性能，特别是在含氯离子的烟气脱硫环境中的耐蚀性能。广泛用于烟气脱硫工程、治污工程、化工设备等领域。
　　二、镍基合金在复合板中的应用
　　镍基合金一般用作复合板的复层材料，基层材料可以是碳钢及低合金钢，也可以是不锈钢。表1中部分列举了我公司生产的镍基合金复合板。
　　表1 我公司生产镍基合金复合板举例
　　三、镍基合金复合板生产流程
　　镍基合金复合钢板的生产从原材料入厂检验到成品的包装发运一般要经过几十道工序，其中主要的工序有：原材料入厂检验→基、复材划线下料→基材抛光除锈→复材拼接→复材校平→基、复材配板→爆炸复合→无损检测→未结合区域补焊→复合板热处理→校平→性能检验→二次无损检测→剪边→复材表面酸洗钝化（抛光）→包装等工序。
　　四、镍基合金复合板的爆炸复合
　　爆炸焊接（explosive welding）就是利用炸药爆炸所产生的能量作为能源，使被焊接的金属形成牢固的固相结合的一种焊接方法。它既是一种重要的金属零件（构件）连接方法，又是一种基本的金属材料复合技术。爆炸焊接而成的金属复合材料具有单一金属不可比拟的综合性能和很高的性能价格比，尤其是可以节约贵重稀缺金属。因此爆炸焊接在材料合成和加工领域具有不可替代的地位。
　　爆炸焊接的工艺装置原理一般如下图1所示。其中，图（a）所示是复板（cladding plate or flying plate）倾斜防止的工艺装置简图，图（b）则是复板平行放置时的工艺装置简图。炸药1经过引爆器5（一般为雷管）引爆后，爆轰波以速度Vd（图c）自左向右传播复板在爆轰产物压力作用下以速度Vp向下飞行，在碰撞点c处（图d），由于高速斜碰撞产生很大的压力，该处的金属受到很大的剪切作用，在碰撞点c处附近一个很窄的区域内会有熔化现象产生。这样，碰撞点附近区域的金属呈现流体形态，速度为Vf的来流经碰撞点c后分成两段，向左的称为“主体射流”，向右的称为“再入射流”。在这种高压的状态下产生射流后，复板与基板（base plate）的表面就可以牢固的结合在一起了。
　　注：1为炸药，2为保护层，3为复层钢板，4为基层钢板，5为雷管，6为爆轰产物，7为主体射流，B为再入射流
　　图1 爆炸焊接的工艺装置原理
　　五、镍基合金复合板的热处理
　　镍基合金复合板的热处理与奥氏体不锈钢复合板的热处理相比，有着很多相同之处。首先，必须兼顾考虑基材和复材两种材料的组织、状态、性能等特点。其次要考虑热处理对结合界面强度的影响。镍基合金复合板的热处理又一定的特殊性，镍基合金自身的固溶处理温度很高，并要求很快的冷却速度。而在碳钢基材正火温度范围内，多数镍基合金敏化严重，析出多种金属间化合物，降低镍基合金的耐腐蚀性能。以碳钢及低合金钢为基材的镍基合金复合板，为了兼顾基材的力学性能和复材的耐腐蚀性能，多数采用消应力热处理。而不锈钢的热处理方式和镍基合金的相似，因此，以不锈钢为基材的镍基合金复合板的热处理就多了一种选择，即固溶处理。下面简要介绍几种镍基合金复合板的热处理方式。
　　1.Hastelloy C-276复合板的热处理
　　资料介绍的C-276合金的固溶温度为1150～1175℃。从图2可以看出，C-276合金在600～1050℃温度范围内，只需很短的时间，就开始敏化，因此，C-276复合板尽可能在600℃以下进行消应力热处理。如果以不锈钢为基材，还可以选择高温固溶处理。我公司在2010年生产了一批材质为C-276+0Cr18Ni9，规格为3+12mm、3+14mm、3+16mm等的镍基合金复合板，采用固溶处理，得到理想的力学性能和耐腐蚀性能。部分腐蚀性能检验数据见表2。
　　图2 镍基合金敏化曲线 　　图3 825合金敏化曲线
　　表2 C-276复合板固溶处理腐蚀性能检验数据
　　2.Incoloy 825复合板的热处理
　　据资料介绍，825合金的热处理温度范围是920～980℃，最合适的是940±10℃，快速冷却，保证材料的耐腐蚀性能。825合金的敏化曲线见图3。
　　825合金可以组合的基材包括C-Mn钢，Cr-Mo钢，不锈钢。以C-Mn钢和不锈钢为基材的复合板，可以直接采用825合金的推荐热处理工艺。以Cr-Mo钢为基材的复合板，可以采用正火+回火或回火的工艺方式。正火工艺采用825合金推荐热处理工艺，回火工艺推荐采用700±10℃，快速冷却。我公司生产的Incoloy825+15CrMoR复合板的腐蚀性能数据（部分）见表3。
　　表3 Incoloy825+15CrMoR复合板腐蚀性能数据
　　3.Inconel 625复合板的热处理
　　表4 625复合板不同热处理规范下的力学性能和腐蚀性能
　　复层625爆炸复合前的腐蚀试验（G28A120h）结果： 0.43mm/a。
　　从图2的敏化曲线可以看出，625合金的敏化时间较长，在正常的热处理条件下，不容易发生敏化。因此，625复合板的热处理可以正火处理或消应力热处理。以不锈钢为基材的复合板，可以选择固溶处理或消应力热处理。我公司对625复合板进行了系列的热处理试验，试验采用材质为Inconel 625+Q345R，规格为2+22mm，不同热处理规范下的力学性能和腐蚀性能见表4。由表中数据可见，以625合金为复材的复合板经1000℃的热处理后，得到很好的力学性能和耐腐蚀性能。
　　六、镍基合金复合板的力学性能和腐蚀性能的检验
　　镍基合金复合板可以采用的标准有NB/T47002.2-2009和ASME SA265等。力学性能检验按标准所列项目及用户要求进行检测，如拉伸试验、冲击试验、弯曲试验、剪切试验等。NB/T47002.2-2009规定剪切强度的不小于210MPa，ASME SA265规定剪切强度不小于140MPa。我公司生产经验表明，采用爆炸法生产的镍基合金复合板的剪切强度不小于300MPa，远大于标准要求值。拉伸、冲击等性能达到基材的要求，保证复合板在设备制作和运行过程中所需的强度和韧性，保障设备安全运行。弯曲试验分为内弯曲和外弯曲，其结果在弯曲部分外侧不得有裂纹，结合界面不得有分层。良好的弯曲性能可以保证复合板在制造过程中复层与基层之间不产生脱层等缺陷。
　　镍基合金耐腐蚀性能的检测，也是镍基合金复合板性能检测的一个重要项目。镍基合金常用的晶间腐蚀试验方法为ASTM G28（A法和B法），评定镍基合金的晶间腐蚀倾向。复合板通过适当的热处理，保证复层镍基合金的耐腐蚀性能。
　　七、结语
　　随着设备使用要求的提高，越来越多的镍基合金复合板得到应用。复合板制造过程中应重点注意热处理质量控制。
　　在镍基合金复合板的制造过程中，应当根据复层镍基合金的特点、腐蚀性能要求及复合板自身的特点来选择适当的热处理工艺。实践表明，恰当的热处理工艺既能最大程度地消除爆炸过程中产生的应力，恢复和改善基材力学性能，又能保证复层镍基合金的耐腐蚀性能。
　　参考文献
　　[1]郑远谋.爆炸焊接和金属复合材料及其工程应用[M].中南大学出版社
　　[2]NB/T47002.2-2009，压力容器用爆炸焊接复合板 第二部分：镍-钢复合板[S]

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