Hastelloy C-276(C-276)為Ni-Cr-Mo超級(jí)合金，316L為奧氏體不銹鋼，兩者以優(yōu)秀的耐蝕性能廣泛用于化工、海洋及核能工程等領(lǐng)域21。在工業(yè)應(yīng)用中，需對(duì)這2種材料進(jìn)行異質(zhì)焊接成形，激光焊接作為一種先進(jìn)的焊接方法，有減緩焊縫中脆性相形成趨勢(shì)、細(xì)化晶粒等優(yōu)勢(shì)341,從而提高焊縫的抗蝕性能。

在工業(yè)上C-276、316L常常被用于酸性環(huán)境中，而且各自在酸性環(huán)境中的腐蝕性也已有報(bào)道[12-14],但目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于C-276/316L異質(zhì)焊縫方面的公開(kāi)文獻(xiàn)較少。本課題組對(duì)C-276/316L激光異質(zhì)焊接焊縫微觀組織已進(jìn)行了研究，證實(shí)了C-276/316L激光異質(zhì)焊接的可行性。本實(shí)驗(yàn)在以往研究的基礎(chǔ)上，借助X射線能量色散譜(EDS)探討不同激光偏移量下焊縫融合區(qū)的元素差異，并利用電化學(xué)阻抗、極化曲線電化學(xué)方法研究不同偏移量對(duì)焊縫在鹽酸溶液中抗腐蝕性的影響，結(jié)合元素的差異對(duì)腐蝕性的變化進(jìn)行分析，為工業(yè)應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1?實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用材料為0.4mm厚的C-276和316L薄板，成分見(jiàn)表1。焊接方式為平板對(duì)焊，焊前用丙酮、無(wú)水乙醇及去離子水清潔被焊表面。焊接設(shè)備采用Nd:YAG連續(xù)激光器，激光焊接參數(shù)設(shè)置：焊接功率270 W,焊接速度為350 mm/min,氬氣側(cè)吹保護(hù)，流量為10L/min,激光光斑直徑為1mm。調(diào)節(jié)激光光斑中心相對(duì)于對(duì)接縫的位置，如圖1所示，以激光焦點(diǎn)偏向C-276為正。

從316L基材側(cè)開(kāi)始用400*、600*、800*、1000*、1200*、1500#、2000*金相砂紙磨削，得到焊縫腐蝕截面S,使腐蝕面大概處于焊縫中心位置，如圖2所示，加工樣件尺寸為30 mm×20mm×0.4 mm。利用EDS檢測(cè)不同偏移量下焊縫截面S主要元素。

實(shí)驗(yàn)溶液為1mol/L的鹽酸溶液，實(shí)驗(yàn)溫度為室溫。采用PARSTAT 2273型電化學(xué)測(cè)試儀測(cè)量極化曲線和電化學(xué)阻抗，利用三電極體系，待測(cè)工件作為工作電極，飽和甘汞作為參比電極，鉑片作為輔助電極。極化曲線掃描電位范圍為-0.5V至+1.5V,掃描速率設(shè)定為5mV/s;電化學(xué)阻抗測(cè)試于開(kāi)路電位穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行，施加的正弦電位幅值為10mV,掃描頻率范圍為100 kHz~10 mHz,使用Zsimpwin軟件解析阻抗數(shù)據(jù)。

2?結(jié)果與分析

2.1?焊縫形貌及元素檢測(cè)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)激光偏移量增大到0.4mm、-0.3 mm時(shí)，未實(shí)現(xiàn)C-276/316L的有效連接。綜合激光光斑直徑1mm考慮，本實(shí)驗(yàn)設(shè)置偏移量為-0.2 mm至0.3mm。圖3為此偏移量下的焊縫形貌圖，可以看出在此偏移量下形成的焊縫形貌良好，而且焊縫上下表面的寬度無(wú)明顯差別，約為1mm。

利用EDS對(duì)圖2中焊縫截面S的主要元素進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表2所示。當(dāng)偏移量從-0.2mm至0.3mm之間變化時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)Fe元素在36%~18%、Ni元素在?30%~42%、Mo元素在15%~22%范圍之間的變化，而Cr元素含量始終保持在16%左右。當(dāng)激光偏移量為0.1,0.2和0.3mm時(shí)，焊縫中的主要元素含量差別并不大，Ni元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最多，為42%左右，Mo元素次之為22%左右。而當(dāng)激光光斑從對(duì)接縫位置逐漸向316L偏移時(shí)，鐵基合金316L的熔合比逐漸增大，所以Fe元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加，Ni、Mo元素含量逐漸減少。

2.2?電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1?極化曲線結(jié)果分析

圖4為不同偏移量下焊縫在1 mol/L的鹽酸溶液中的極化曲線，由圖中看出，不同偏移量下焊縫的極化曲線趨勢(shì)相似，隨電位正移，電流開(kāi)始下降，到最小值后，進(jìn)入陽(yáng)極溶解，此時(shí)腐蝕速度較快。0~0.8 V之間為焊縫的穩(wěn)定鈍化區(qū)，此區(qū)域電流密度維持在一個(gè)較小的數(shù)值，腐蝕速率相對(duì)較小，不同參數(shù)下的異質(zhì)焊縫均表現(xiàn)出良好的鈍化性能。隨著電位繼續(xù)增大，在1V左右鈍化膜被破壞，焊縫進(jìn)入過(guò)鈍化區(qū)。

從極化曲線測(cè)得的腐蝕電位和腐蝕電流密度如表3所示，通常認(rèn)為腐蝕電壓(Econ)越大則腐蝕趨勢(shì)越小，腐蝕電流密度(Icor)越大則腐蝕速率越快。從表3中的電化學(xué)數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)激光焦點(diǎn)向C-276偏移時(shí)，其腐蝕電壓在-220mV左右，腐蝕電流密度同在1個(gè)數(shù)量級(jí)(0-7A/cm2),表明在偏移量0.1~0.3 mm之間得到的焊縫腐蝕趨勢(shì)和腐蝕速率相似。而當(dāng)激光焦點(diǎn)逐漸向316L側(cè)偏移時(shí)，腐蝕電壓逐漸減小，而腐蝕電流密度逐漸增大，此時(shí)焊縫的腐蝕趨勢(shì)、腐蝕速率逐漸增大。從以上分析可以看出，當(dāng)激光焦點(diǎn)向C-276側(cè)偏移能得到抗腐蝕性較好的焊縫，而向C-276偏移量的大小對(duì)抗腐蝕性能的影響較小。

Ni元素在25 ℃時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)電極電位比鐵的要高[15],說(shuō)明Ni元素的腐蝕趨勢(shì)相對(duì)鐵來(lái)說(shuō)要小。從表2的數(shù)據(jù)中可以看出當(dāng)激光偏移量為0.1,0.2,0.3 mm時(shí)，焊縫中的Ni元素含量無(wú)明顯差別，這就解釋了激光焦點(diǎn)向C-276偏移時(shí)焊縫在鹽酸中的腐蝕趨勢(shì)差別不大；而當(dāng)激光從對(duì)接縫逐漸向316L偏移時(shí)Ni含量逐漸降低，F(xiàn)e元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加，因此在此偏移量下的焊縫腐蝕趨勢(shì)逐漸增大，抗蝕性能逐漸減弱。

2.2.2?電化學(xué)阻抗譜分析

圖5是不同偏移量下焊縫在腐蝕電位下測(cè)得的Nyquist圖。從圖中看出，不同參數(shù)下焊縫的阻抗譜形狀相似：在高頻部分Nyquist圖中表現(xiàn)為單一的容抗弧，而在低頻部分出現(xiàn)一直線段，表明整個(gè)電極過(guò)程的控制步驟從電化學(xué)電荷傳遞過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)槲镔|(zhì)的傳質(zhì)過(guò)程。在腐蝕過(guò)程中，由于腐蝕產(chǎn)物擴(kuò)散的作用，導(dǎo)致電極和電解質(zhì)溶液兩相之間原來(lái)的比較暢通的傳輸通道發(fā)生堵塞從而阻礙了腐蝕產(chǎn)物等離子的擴(kuò)散，同時(shí)被阻擋的腐蝕產(chǎn)物在電極表面發(fā)生沉積，將導(dǎo)致電極阻抗增加，此種結(jié)果能夠減緩電解質(zhì)的滲透，有利于提高電極的耐蝕性能

采用如圖6所示的等效電路[16,17]對(duì)Nyquist圖進(jìn)行擬合。其中Rs為溶液電阻，RL為電荷轉(zhuǎn)移電阻，W表示與擴(kuò)散過(guò)程有關(guān)的元件(Warburg阻抗)。由于彌散效應(yīng)的原因，在模擬等效電路中采用CPE恒相角元件代替純電容元件C。CPE的阻抗(ZQ)可以由以下方程表述：ZQ=(j ω)"/Y?

式(1)中，Yo和n為CPE常數(shù)，n的取值范圍為0<n<1,

表示彌散效應(yīng)的程度。等效電路對(duì)阻抗譜圖進(jìn)行擬合，

得到表4所示的各對(duì)應(yīng)元件數(shù)值。電荷轉(zhuǎn)移電阻RL表示電荷穿過(guò)電極和電解質(zhì)溶液兩相界面的難易程度，RL越大，電極腐蝕速率越小[18]。當(dāng)偏移量為0.1,0.2,0.3mm時(shí)焊縫RL值相似且最大，電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程較難進(jìn)行；隨著激光逐漸偏向316L側(cè)，RL值逐漸變小，說(shuō)明隨著激光焦點(diǎn)向316L偏移，電荷穿過(guò)電極和電解質(zhì)溶液兩相界面愈來(lái)愈容易，腐蝕速率較快。

研究表明Cr元素是提高合金抗蝕性能的有效元素，能以Cr?O?、CrOOH、Cr(OH)3[19,20]等多種形態(tài)組成鈍化膜的主要成分；而在pH很低的溶液中，Mo的主要作用并不是直接生成鈍化物，而是靠對(duì)鈍化物質(zhì)強(qiáng)吸附作用促進(jìn)其它鈍化物的生成[21]。當(dāng)激光偏移量從0.3 mm至0.1mm之間變化時(shí)，Cr元素含量沒(méi)有太大變化，Mo含量在22%左右；當(dāng)激光逐漸向316L偏移時(shí)，雖然Cr元素含量仍沒(méi)有明顯變化，但是Mo元素逐漸減少，認(rèn)為此時(shí)得到的焊縫鈍化性能較弱，所以電荷轉(zhuǎn)移的速率較快。

綜上所述，將激光光斑向C-276偏移0.1~0.3 mm能得到焊縫腐蝕趨勢(shì)、腐蝕速率較小的焊縫，而隨著激光向316L側(cè)偏移焊縫抗蝕性逐漸減弱。

3?結(jié) 論

1)?偏移量在-0.2mm至0.3mm之間，均可得到焊縫形貌良好的焊縫，焊縫上下表面的寬度約為1mm;當(dāng)激光偏移量在0.1~0.3 mm之間時(shí)元素變化較小，而當(dāng)偏移量在0至-0.2 mm變化時(shí)，F(xiàn)e元素含量逐漸增加，Ni、Mo元素逐漸減少，而Cr元素含量始終無(wú)明顯變化。

2)?當(dāng)激光向C-276偏移0.1~0.3mm時(shí)，焊縫的腐蝕電壓在-220mV左右，腐蝕電流密度同在1個(gè)數(shù)量級(jí)(10-7A/cm2),得到的焊縫抗蝕性能相似；激光逐漸向316L側(cè)偏移時(shí)，腐蝕電壓逐漸減小，腐蝕電流密度逐漸增大，此時(shí)焊縫的腐蝕趨勢(shì)、腐蝕速率逐漸增大，抗蝕性逐漸減弱。

3)電化學(xué)阻抗實(shí)驗(yàn)表明電極過(guò)程的控制步驟從電化學(xué)電荷傳遞過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)槲镔|(zhì)的傳質(zhì)過(guò)程；激光向C-276偏移0.1~0.3 mm時(shí)焊縫電荷轉(zhuǎn)移電阻值相似且為最大，而當(dāng)偏移量在0至-0.2 mm變化時(shí)，電荷轉(zhuǎn)移電阻逐漸減小，腐蝕速率逐漸變大，焊縫在鹽酸中的抗蝕性能逐漸變?nèi)酢?/p>