劉國(guó)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(chǎn)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(jié)合的一種焊接方法[1]。爆炸焊接復(fù)合鋼板是在基材鋼板表面，運(yùn)用爆炸焊接技術(shù)復(fù)合上一面或雙面的不銹鋼或有色金屬，使復(fù)合板具有基材鋼板的力學(xué)性能，又具有不銹鋼或有色金屬耐腐蝕性能的一種新型復(fù)合材料。

鎳及鎳合金具有良好的物理性能、力學(xué)性能和耐腐蝕性能，在多種腐蝕介質(zhì)中具有良好的耐蝕性能，部分鎳基合金對(duì)還原性的和氧化性的酸、堿具有很好的抗應(yīng)力腐蝕、點(diǎn)腐蝕和縫隙腐蝕的性能。然而，其價(jià)格也相對(duì)較昂貴，一定程度上限制了其使用。通過爆炸焊接技術(shù)將其生產(chǎn)成復(fù)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(jià)比，還可以節(jié)約貴重稀缺金屬。因此，鎳基合金爆炸焊接復(fù)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(jiǎn)介

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)爆炸焊接原理進(jìn)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(fù)材平行放置時(shí)的工藝裝置簡(jiǎn)圖。將基材放置在平整的基礎(chǔ)上，再將復(fù)材放置在基材上，基材和復(fù)材一般平行放置，它們之間留有間隙y。然后在復(fù)材表面平鋪上低速炸藥1，在合適的位置放置雷管。炸藥經(jīng)雷管引爆后，爆轟波以速度Vd平行于復(fù)材表面?zhèn)鞑ィ瑥?fù)材在爆轟產(chǎn)物巨大壓力作用下向下彎折，在極短時(shí)間內(nèi)，復(fù)材被加速到每秒幾百米的速度，和基材碰撞，大量的碰撞點(diǎn)連成一個(gè)橢圓形,這個(gè)橢圓形以引爆點(diǎn)為圓心向外運(yùn)動(dòng)，速度達(dá)到每秒幾千米。由于高速斜碰撞產(chǎn)生很大的壓力(達(dá)到幾萬兆帕),大大超過材料自身的屈服強(qiáng)度，使得材料在碰撞點(diǎn)發(fā)生塑性剪切變形和熱效應(yīng)，形成波狀界面結(jié)合，界面層有少量的熔化。同時(shí)，基材和復(fù)材之間形成一股金屬微射流，可帶走板材結(jié)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(zhì)(強(qiáng)度、熔點(diǎn)等)、炸藥的性能(密度、炮轟波速度等)、炸藥與復(fù)材厚度均會(huì)影響到爆炸焊接的結(jié)合形態(tài)。通常情況下，希望得到細(xì)小的波狀的結(jié)合形態(tài)。

注：1為炸藥;2為保護(hù)層;3為復(fù)層鋼板;4為基層鋼板;5為雷管;6為爆轟產(chǎn)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(yīng)用

鎳及鎳基合金根據(jù)化學(xué)成分可以分為工業(yè)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(fù)合鋼板的發(fā)展和應(yīng)用，越來越多牌號(hào)的鎳基合金被制造成復(fù)合鋼板。

3.1 工業(yè)純鎳

顏色比銀略黃而有光澤，具有優(yōu)良的塑性和韌性，還具有耐大氣、堿、淡水等介質(zhì)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(wěn)定，有一定的熱強(qiáng)性。N5、N7、Nickel 200、Nickel 201等牌號(hào)已用于爆炸復(fù)合鋼板的制造。

3.2 Ni-Cu合金

典型的是蒙乃爾合金(Monel)，兼?zhèn)銫u和Ni的耐蝕性，在還原介質(zhì)中比Ni的耐蝕性強(qiáng)。Ni-Cu合金對(duì)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(hào)已用于爆炸復(fù)合鋼板的制造。

3.3 Ni-Mo合金

Hastelloy A系列和B系列，應(yīng)用于復(fù)合鋼板制造很少。

3.4 Ni-Cr-Mo合金

典型牌號(hào)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(qiáng)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(hào)已用于爆炸復(fù)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(chǎn)的Inconel 600系列和哈氏公司生產(chǎn)的Hastelloy G系列等。這種合金具有抗高溫氧化和耐氯離子介質(zhì)的應(yīng)力腐蝕性能。Inconel 600和Inconel 625等牌號(hào)已用于爆炸復(fù)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%，F(xiàn)e+Ni含量大于50%。商業(yè)系列主要包括Incoloy和Nicrofer，典型的牌號(hào)有Incoloy800、825等。在硫酸和磷酸介質(zhì)中，具有良好的耐點(diǎn)腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂和晶間腐蝕性能。Incoloy800、825等牌號(hào)已用于爆炸復(fù)合鋼板的制造。

表1 幾種鎳基合金的典型化學(xué)成分(主要成分) %

4 鎳基合金復(fù)合板的熱處理

爆炸復(fù)合后，復(fù)合板需進(jìn)行熱處理，其主要目的是消除基材的加工硬化和殘余應(yīng)力，改善復(fù)合板的綜合性能(力學(xué)性能和復(fù)材耐蝕性能)。和單一材料相比，復(fù)合板的熱處理具有一定的特殊性，需綜合考慮復(fù)材和基材兩種材料的熱處理特性，兼顧基材的力學(xué)性能和復(fù)材的耐蝕性能，保證復(fù)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(hào)的鎳基合金的溫度-時(shí)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(fù)材在基材正火溫度范圍內(nèi)會(huì)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(fù)材固溶溫度范圍內(nèi)熱處理，對(duì)基材的力學(xué)性能造成很大的影響。因此，復(fù)合板通常選擇消應(yīng)力熱處理工藝，可以避免復(fù)材進(jìn)入敏化溫度區(qū)間，有效保證復(fù)材耐蝕性能。同時(shí)，對(duì)于要求在正火狀態(tài)下使用的基層材料而言，復(fù)合板消應(yīng)力熱處理未改變基材的微觀組織和熱處理狀態(tài)，因此，也能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)或客戶對(duì)基材熱處理狀態(tài)的要求。

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

4.1 C-276復(fù)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(tài)下具有很高的耐蝕性和耐熱性，因此它被廣泛運(yùn)用于多種苛該的環(huán)境中，尤其適用于混入鐵離子Fe3+等強(qiáng)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(nèi)，短時(shí)間保溫就進(jìn)入敏化區(qū)域，因此，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制材料在該溫度范圍內(nèi)的停留時(shí)間。當(dāng)在敏化溫度范圍內(nèi)加熱和保溫，或高溫固溶處理的冷速不夠快，會(huì)導(dǎo)致顯微組織中存在析出相(如μ相、碳化物等)。因此，C-276復(fù)合板一般采用消應(yīng)力熱處理或固溶處理。表2列出C-276合金復(fù)合板的典型腐蝕性能數(shù)據(jù)，腐蝕速率和原材料相當(dāng)。

表2 C-276復(fù)合板腐蝕性能數(shù)據(jù)

圖2 鎳基合金敏化曲線

4.2 825復(fù)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(zhì)和氧化性介質(zhì)中均有良好的應(yīng)用。825合金的穩(wěn)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(gè)溫度恰好也在碳鋼的正火溫度范圍內(nèi)，選擇正火工藝可以很好地兼顧了復(fù)材退火和基材正火。同樣，825合金復(fù)合板的熱處理方式可以選擇消應(yīng)力熱處理。表3列出825合金復(fù)合板ASTM G28方法A腐蝕性能數(shù)據(jù)，表4列出825合金復(fù)合板ASTM A262方法C腐蝕性能數(shù)據(jù)，腐蝕速率均和原材料相當(dāng)。

表3 825復(fù)合板ASTM G28方法A腐蝕性能數(shù)據(jù)

表4 825復(fù)合板ASTM A262方法C腐蝕性能數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

鎳基合金具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，爆炸焊接技術(shù)的應(yīng)用，降低了材料的使用成本。因此，鎳基合金爆炸焊接復(fù)合鋼板的種類越來越多，應(yīng)用越來越廣發(fā)。

在鎳基合金復(fù)合板的制造過程中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)鎳基合金自身特性、耐腐蝕性能要求及基材力學(xué)性能要求來選擇適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?。適當(dāng)?shù)臒崽幚砑缺ＷC了鎳基合金的耐腐蝕性能，又恢復(fù)和改善了復(fù)合板的力學(xué)性能。