董 陽，周好斌，蘇 航，付安慶，尹成先

（西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710065；2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司管材研究所，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710077）

雙金屬?gòu)?fù)合管是一種剛度高、強(qiáng)度大、耐蝕性能和耐磨性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)和功能材料。雙金屬?gòu)?fù)合管通過特殊的變形和連接技術(shù)，將基體和襯層緊密結(jié)合在一起，將兩種金屬的優(yōu)勢(shì)最大化地發(fā)揮出來，克服了單一金屬的性能缺陷，將制造成本降低，能夠適應(yīng)復(fù)雜應(yīng)力、腐蝕和摩擦等特殊工況及環(huán)境的要求，在核電、石油化工、海洋工程、電力電子、機(jī)械制造、建筑裝飾等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

雙金屬冶金復(fù)合管主要通過爆炸焊、釬焊、粉末冶金、熱擠壓、噴射成型等技術(shù)，在基材和覆材之間形成冶金復(fù)合界面[1-2]。雙金屬冶金復(fù)合管的性能，與冶金復(fù)合界面的特征如界面顯微組織、析出相、孔洞、元素互擴(kuò)散層等密切相關(guān)。為了保障雙金屬冶金復(fù)合管在復(fù)雜油氣開采環(huán)境中的安全應(yīng)用，需要解決以下三方面的基礎(chǔ)理論問題：1）雙金屬冶金復(fù)合界面微觀結(jié)構(gòu)的定量表征，以及其與界面結(jié)合性能的本構(gòu)關(guān)系；2）雙金屬冶金復(fù)合界面的氫滲透擴(kuò)散及損傷問題；3）雙金屬冶金復(fù)合界面的局部腐蝕損傷問題。

1 雙金屬?gòu)?fù)合管界面微觀組織的調(diào)控

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)各類冶金復(fù)合工藝的設(shè)計(jì)和優(yōu)化開展了大量研究后普遍認(rèn)為，雙金屬?gòu)?fù)合材料的結(jié)合性能，與擴(kuò)散界面的微觀特征密切相關(guān)。研究者發(fā)現(xiàn)，不銹鋼/碳鋼、鈦/碳鋼等碳勢(shì)差較大的雙金屬?gòu)?fù)合材料，在C 元素的充分?jǐn)U散作用下，復(fù)合界面兩側(cè)分別存在明顯的滲碳層（低碳金屬側(cè)）和脫碳層（高碳金屬側(cè)）[3-8](圖1)。在界面附近的滲碳層內(nèi)，擴(kuò)散的C 原子與合金原子結(jié)合，并優(yōu)先在晶界處析出M23C6 型、MC 型等脆性碳化物，形成敏化區(qū)，導(dǎo)致界面附近的晶間結(jié)合力及耐蝕性降低[5-6]。盡管在C 元素強(qiáng)烈的結(jié)合作用下，Cr 等合金元素很少能夠擴(kuò)散至界面碳鋼側(cè)，使得碳化物在碳鋼側(cè)較少出現(xiàn)[6]，但由于脫碳影響了珠光體形成，進(jìn)一步導(dǎo)致鐵素體因缺少珠光體釘扎而晶粒粗大，因此，脫碳層的強(qiáng)度及硬度均較低[9]。此外，對(duì)于鋁基/銅基[10]、鈦基/不銹鋼[11]等化學(xué)成分差異較大的異種合金復(fù)合材料，高溫加工/熱處理可激活界面合金元素的擴(kuò)散機(jī)制，誘發(fā)脆性金屬間的化合物析出[12]，使得界面結(jié)合性能降低。由上述研究可以看出，冶金復(fù)合材料的界面是影響整體性能的關(guān)鍵，化學(xué)成分梯度和溫度的共同作用，使得界面往往成為其薄弱環(huán)節(jié)。從微觀組織形貌可以看出，影響界面結(jié)合性能的因素主要有：1）敏化區(qū)碳化物顆粒的化學(xué)成分、形貌、粒徑、體積分?jǐn)?shù)和空間分布，對(duì)界面結(jié)合能力起主導(dǎo)作用；與此同時(shí)，碳化物顆粒在軋制過程中會(huì)斷裂，形成孔洞?？锥磁c顆粒的交互作用，會(huì)導(dǎo)致材料發(fā)生非均勻變形，造成局部應(yīng)力集中?？锥创笮?、形貌及其與顆粒的交互作用，同樣會(huì)影響材料整體的界面結(jié)合能力；2）異種金屬的協(xié)同變形能力[13]。不銹鋼側(cè)碳化物顆粒的析出行為及碳鋼側(cè)的脫碳行為，會(huì)導(dǎo)致材料的硬度、硬度梯度發(fā)生變化，改變載荷過程中的協(xié)同塑性變形能力及應(yīng)變梯度效應(yīng)，同樣會(huì)影響材料整體界面結(jié)合能力。

圖1 不銹鋼/碳鋼復(fù)合界面微觀特征示意圖

鑒于此，在通過界面兩側(cè)元素相互擴(kuò)散獲得冶金結(jié)合的同時(shí)，如何優(yōu)化界面顯微組織和控制有害相的析出，是提高界面結(jié)合性能迫切需要解決的難題。研究者發(fā)現(xiàn)，采用真空軋制等多道次熱加工工藝，雖然可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合界面內(nèi)鐵素體晶粒的細(xì)化，減少孔洞等缺陷分布[8]，但隨著累計(jì)變形量及高溫處理時(shí)間的增長(zhǎng)，復(fù)合界面附近擴(kuò)散析出的碳化物也明顯增多，反而對(duì)界面結(jié)合強(qiáng)度造成了不利影響[6]，因此需要優(yōu)化軋制工藝參數(shù)。此外，研究者也嘗試適當(dāng)降低熱處理溫度，以抑制復(fù)合界面內(nèi)脆性相的析出，進(jìn)而優(yōu)化界面結(jié)合性能。Bina 等[14]優(yōu)選了爆炸焊銅/304L 不銹鋼復(fù)合板的退火溫度，在界面元素充分?jǐn)U散的同時(shí)，有效避免了金屬間化合物及熔化區(qū)的形成，材料強(qiáng)度及韌性均較熱處理前有顯著提高。類似地，Kosturek 等[15]也發(fā)現(xiàn)，620℃退火的爆炸焊Inconel625/P355NH 鋼復(fù)合板，其剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)高于910℃退火的復(fù)合板。

從上述分析可以看出，影響雙金屬冶金復(fù)合管界面結(jié)合性能的因素眾多。由于多參數(shù)、高維度、多因素耦合影響的復(fù)雜性，如何通過微觀組織調(diào)控界面結(jié)合性能，目前仍止步于定性的解釋。

2 雙金屬?gòu)?fù)合管界面氫擴(kuò)散及損傷機(jī)理

我國(guó)中石化普光氣田和中石油西南油氣田的開采環(huán)境，往往因含高H2S（最高達(dá)到 18%），導(dǎo)致管柱和管線的應(yīng)力腐蝕開裂頻發(fā)。在此類嚴(yán)酷的酸性工況條件下，氫引起的材料脆化是誘發(fā)開裂的關(guān)鍵因素之一。雙金屬冶金復(fù)合管作為一種經(jīng)濟(jì)高效的管材解決方案，其在服役過程中與臨氫環(huán)境直接接觸，氫致?lián)p傷程度及機(jī)理尚不清楚。如上所述，異種金屬?gòu)?fù)合界面在冶金過程中形成的析出相、夾雜物、孔洞、晶界、位錯(cuò)等缺陷，都可能會(huì)成為氫陷阱，從而改變氫的擴(kuò)散、捕獲、合并等動(dòng)力學(xué)過程，進(jìn)而影響復(fù)合管在臨氫環(huán)境中的損傷機(jī)制。氫可以在各種類型的晶格缺陷中被捕獲和運(yùn)輸[16]，在析出相、夾雜物、孔洞等不可逆氫陷阱（高約束能）中，氫原子難以遷移，而位錯(cuò)、晶界等可逆氫陷阱（低約束能）中的氫原子則容易逃逸。但是，當(dāng)氫陷阱發(fā)生交互作用時(shí)，氫原子會(huì)自發(fā)由低約束能向高約束能處遷移。近些年來，析出相作為氫陷阱，對(duì)氫的捕獲、分布、傳輸及其與氫的反應(yīng)等，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)，在較大的非共格析出相中，碳化物界面可以有效地捕集氫，且相對(duì)于碳化物本體，碳化物-基體界面捕集氫的能力更強(qiáng)。原子探針層析（APT）、三維原子探針（3DAP）等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，都證實(shí)了氫在碳化物（TiC、NbC、VC、Cr-C、Mn-C、 Mo-C 等）-基體的界面處聚集。因此，冶金復(fù)合界面處的析出相、孔洞以及兩者的耦合作用，都會(huì)影響氫致裂紋的萌生和擴(kuò)展，而界面兩側(cè)不同金屬對(duì)氫的敏感程度，也會(huì)對(duì)氫致裂紋的擴(kuò)展造成顯著的影響。

冶金復(fù)合界面的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，導(dǎo)致其的氫損傷機(jī)制仍不清楚。要構(gòu)建顯微結(jié)構(gòu)特征與宏觀氫致開裂之間的本構(gòu)關(guān)系，還需要在以下兩個(gè)方面開展攻關(guān)研究：1）表征界面氫陷阱的微觀特征及捕獲氫的能力；2）澄清界面在臨氫環(huán)境中的開裂行為與微觀機(jī)制。

3 雙金屬?gòu)?fù)合管界面局部腐蝕行為

異種金屬的電勢(shì)差異，勢(shì)必會(huì)在雙金屬?gòu)?fù)合界面產(chǎn)生電偶作用，導(dǎo)致其在服役環(huán)境中存在電偶腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。目前，大量的電偶腐蝕研究，主要集中在探討偶對(duì)材料特征、幾何因素以及環(huán)境因素對(duì)電偶腐蝕行為及機(jī)理的影響。從宏觀尺度出發(fā)，胡強(qiáng)飛等人[17]研究了 Fe、Cu、Al 等3 種金屬的排列方式對(duì)電偶腐蝕行為的影響，借鑒“三元相圖”思維，定性地構(gòu)建了3 種金屬條件下的電偶腐蝕模型，結(jié)果表明，電偶腐蝕速率依次為：Al 在中間＞Cu 在中間＞Fe 在中間。由以上研究可以看出，電偶對(duì)中間存在過渡層，對(duì)整個(gè)體系的電偶腐蝕有明顯的抑制或加速作用。而對(duì)于冶金復(fù)合管界面，因其結(jié)構(gòu)、成分、微觀組織的復(fù)雜性，很難確定其在電偶腐蝕過程中所起的作用及其對(duì)腐蝕演化機(jī)理的影響。

除宏觀電偶腐蝕外，點(diǎn)蝕也是雙金屬冶金復(fù)合管界面失效的重要原因之一。點(diǎn)蝕的演變過程分為點(diǎn)蝕誘導(dǎo)和點(diǎn)蝕生長(zhǎng)兩個(gè)過程[18]，其中點(diǎn)蝕誘導(dǎo)過程主要有兩種機(jī)制：鈍化膜破裂機(jī)制和夾雜物溶解機(jī)制[19]。從夾雜物溶解機(jī)制角度出發(fā)，除了常見的MnS 夾雜溶解導(dǎo)致點(diǎn)蝕發(fā)生外[20]，有研究認(rèn)為，析出碳化物會(huì)與周圍基體形成微電偶，加速鈍化膜的溶解，導(dǎo)致點(diǎn)蝕出現(xiàn)。而雙金屬冶金復(fù)合管界面的顯微結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，除了夾雜物、析出相、孔洞等缺陷外，在界面兩側(cè)有明顯的成分梯度（碳鋼側(cè)的脫碳層和不銹鋼側(cè)的碳化物層），導(dǎo)致在點(diǎn)蝕誘導(dǎo)過程中，鈍化膜破裂及夾雜溶解機(jī)制可能同時(shí)存在，點(diǎn)蝕誘導(dǎo)機(jī)理需要進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié)語

我國(guó)的雙金屬?gòu)?fù)合管經(jīng)過20 多年來的應(yīng)用與研究，已經(jīng)具有較為完善的工業(yè)體系，但與國(guó)外相比仍存在許多問題。特別是在雙金屬?gòu)?fù)合管界面結(jié)合性能方面，應(yīng)該借鑒國(guó)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，采用不同的工藝方法以提高復(fù)合管的界面結(jié)合性能，以使我國(guó)雙金屬?gòu)?fù)合管的技術(shù)水平達(dá)到更高的程度。