[发明专利]高韧性金属复合板及其制造方法和应用

说明书

本发明涉及金属层状复合材料技术领域，尤其是一种高韧性金属复合板及其制造方法和应用，复板为镍基合金，基板为碳钢；基板碳钢以重量百分比计化学成分如下：C 0.03％‑0.1％，Si 0.1‑0.3％，Mn 1.0％‑1.6％，Mo 0.05‑0.5％，Nb 0.01‑0.06％，Ti 0.005‑0.02％，N 0.003‑0.006％，P≤0.015％，S≤0.003％，V≤0.01％，以及Ca 0.001‑0.004％、Al≤0.04％、Ni≤1.0％、Cu≤1.0％、Cr≤1.0％中的一种及以上，余量为Fe和杂质。Ti含量与N含量之比Ti/N为2.0‑3.5，Nb含量与C含量之比Nb/C为0.2‑2.0。本发明基板碳钢在‑20℃的落锤撕裂试验中，断口横截面积上全部为韧性断裂区的面积占比≥90％，基板焊接热影响区(HAZ3mm)‑20℃夏比冲击功(vE‑20)≥150J，因此基板碳钢和焊接热影响区具有优异的低温韧性和强度。本发明具有生产工艺简单、性价比高、强度、韧性和耐腐蚀性较好等特征，可制成资源开采设备应用在极端环境地区。

技术领域

本发明涉及金属层状复合材料领域，具体领域为一种在焊接接头处具有优异韧性的金属复合板。

背景技术

近年来，由于能源危机，能源资源开发甚至在一些开采环境恶劣的地区也一直在进行。这种环境具有非常强的腐蚀性，需要使用耐腐蚀性较高的材料。而且在这些难以开采的环境中，工业设施需要具有耐久性和长寿命，其中以625和825合金为代表的镍基合金作为满足这一要求的材料被广泛使用，然而镍基合金的主要原材料，即Ni，以及Mo、Cr等合金元素的价格不时发生较大波动。因此，与使用单一金属相比，能够更经济地实现高耐蚀性的金属复合板近年来引起了人们的广泛关注。

该类高耐蚀性金属复合板可以由碳钢和镍基合金组成，其中碳钢由于具有相对较高的韧性和强度(而非耐腐蚀性)而适合在上述恶劣环境中使用，可作为复合板材的基板。由于镍基合金-低碳钢复合板具有与625等镍基合金相当的耐腐蚀性，同时强度和韧性与低碳低合金钢相当，既经济又实用，近年来在各种工业领域的需求也不断增加。

当上述复合板被用来制作成复合管时，需要在管道的两个表面上各进行一次高效焊接。一般来说，在多层焊接中，焊缝金属边界和钢板的边界处被焊接，在热量传递的影响下，热影响区和基板进行晶粒细化。但是，在单道焊中，熔合区和热影响区内的晶粒较粗，导致韧性下降。而当资源开采管道因紧急情况停止运行时，管道各部分均处在-40℃的低温环境中。因此-40℃下待焊接钢板和热影响区的夏比冲击功(vE-40℃)要达到35J或更高，而且在-20℃的落锤撕裂试验(DWTT)中，待焊接钢板断口横截面积上全部为韧性断裂区的面积占比达到85％或更高比例才能合格。

根据JP2004149821A公开的方法，优化Ti和N的加入量，将提高焊接接头的韧性。但是，TiN主要在钢的凝固过程中形成，容易形成粗大沉淀相。因此，当生成的TiN残余尚未形成固溶体时，将会产生钉扎效应，造成加热至高温的热影响区微观组织的粗化受到抑制。然而，当加热至接近1000℃时，TiN残余粗大，几乎不产生钉扎效应，导致热影响区微观结构的粗化没有得到充分抑制，造成韧性较低。此外，当最高温度超过1400℃时，在熔合区附近，几乎所有的TiN都形成固溶体。因此，在靠近熔合区的区域，存在TiN钉扎效应很小，韧性不足的问题。

专利JP2006328460A公开了一种在热影响区细化奥氏体晶粒并通过向C、Si、Mn和Al中添加Ti、N、Nb、V和B，使细小的TiN颗粒在钢中沉淀，来改善韧性的技术。但是专利文献3公开的方法需要一个附加的步骤，即在≤1150℃进行二次加热，此操作增加了生产成本，难以在工业上推广应用。

发明内容

为克服上述背景技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种在焊接接头处具有优异韧性的高韧性金属复合板及其制造方法和应用。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：