雙相不銹鋼焊接性能及接頭耐腐蝕性能的研究現(xiàn)狀

秦 琴，田金欣，唐詩佳，楊昊東，顏子鎰，黃泰博，李昀珅

(成都錦城學(xué)院智能制造學(xué)院，成都 611731)

0 引 言

雙相不銹鋼具有優(yōu)異的力學(xué)特性、抗氯化物腐蝕能力、耐腐蝕疲勞性能、耐磨損腐蝕性能和焊接性能，廣泛應(yīng)用于化學(xué)品運輸、深海采油、海水淡化、煙氣脫硫等方面。雙相不銹鋼的焊接性是其應(yīng)用推廣的主要障礙之一。在焊接過程中，母材和焊接材料要經(jīng)過加熱熔化和冷卻結(jié)晶的非平衡凝固過程，該過程是一個復(fù)雜的化學(xué)冶金過程。在焊接過程中，如何獲得平衡的鐵素體相和奧氏體相組織，避免碳化物、氮化物、σ相等有害相的析出，避免熔合區(qū)和熱影響區(qū)的晶粒粗大以及熱裂紋和使用中腐蝕都是目前研究的難點和重點。目前，國內(nèi)外學(xué)者對雙相不銹鋼的焊接性能進(jìn)行了大量研究，但是系統(tǒng)地分析雙相不銹鋼焊接過程的文獻(xiàn)較少。作者綜述了雙相不銹鋼焊接性能的研究進(jìn)展，介紹了其焊接方法，探討了雙相不銹鋼的焊接接頭組織變化，分析焊接接頭的耐腐蝕性能以及可能出現(xiàn)的焊接缺陷，為后續(xù)雙相不銹鋼焊接性能的研究提供理論支撐。

1 焊接方法

目前，雙相不銹鋼已由第一代的3RE60不銹鋼發(fā)展到第三代的SAF2507不銹鋼。相比于第一代雙相不銹鋼，第三代雙相不銹鋼降低了碳、鎳含量，增加了鉻、鉬、硅、氮的含量，并添加一些稀土元素，因此具有更優(yōu)良的焊接性能。雙相不銹鋼的焊接方法除了常規(guī)的惰性氣體保護(hù)電弧焊(TIG)、熔化極惰性氣體保護(hù)焊(MIG)、熔化極活性氣體保護(hù)電弧焊(MAG)和藥芯焊絲電弧焊接(FCAW)外，還包括電子束焊接法、激光焊接法、等離子焊、攪拌摩擦焊、雙弧焊接法以及復(fù)合型焊接方法等。通過改良和創(chuàng)新焊接方法可以獲得良好的焊接接頭組織，并提高焊接效率。

MUTHUPANDI等[1]將電子束焊接法應(yīng)用到雙相不銹鋼中，采用富鎳填充材料獲得高鎳含量焊縫金屬，發(fā)現(xiàn)鎳元素對焊縫中鐵素體和奧氏體比例的影響比冷卻速率的影響大，但是對接頭硬度的影響不大。SUN等[2]研究表明，將雙弧焊技術(shù)應(yīng)用于雙相不銹鋼時可以得到較好的焊縫外觀，增加焊槍間距或者減小鎢極氬弧焊(GTA)重熔電流會增大接頭在質(zhì)量分?jǐn)?shù)3% NaCl溶液中的腐蝕速率，并且可以通過調(diào)整焊槍間距來改善接頭的顯微組織。KANG等[3]采用藥芯焊絲電弧焊方法對雙相不銹鋼進(jìn)行焊接，發(fā)現(xiàn)隨著藥芯焊絲中硅含量的增加，焊縫表面鈍化膜的致密程度增大，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%草酸溶液中接頭晶界處產(chǎn)生的點蝕數(shù)量減少，這是因為在焊接過程中硅與氧氣反應(yīng)生成的SiO2在晶界處不斷聚集，從而減少了晶界點蝕的發(fā)生。張玥[4]研究發(fā)現(xiàn)，分別采用激光焊接法和等離子焊接工藝對雙相不銹鋼進(jìn)行焊接后，接頭焊縫組織均由鐵素體和奧氏體組成，但等離子焊接接頭焊縫組織中的奧氏體粗大，含量較多，導(dǎo)致該接頭的強度略低于激光束焊接接頭的。BAGHDADCHI等[5]研究發(fā)現(xiàn)，采用純氮保護(hù)氣體焊與激光焊相結(jié)合的焊接方法可以顯著提高雙相不銹鋼激光焊接接頭焊縫中奧氏體相的含量，減少氮化物的形成量。ALBAIJAN等[6]采用活性焊劑鎢極惰性氣體(ATIG)保護(hù)技術(shù)對雙相不銹鋼進(jìn)行焊接，發(fā)現(xiàn)：當(dāng)同時使用Fe2O3-Cr2O3、ZnO-Mn2O3作為焊劑時，其焊縫深度比TIG焊接接頭的提高了近3.7倍，而焊縫的洛氏硬度和抗拉強度與母材的相近；與TIG接頭相比，當(dāng)使用ZnO-Mn2O3混合焊劑焊接時，焊縫具有更強的突變載荷承載能力，而使用Fe2O3-Cr2O3混合焊劑焊接時，焊縫的耐腐蝕能力更強。劉紹等[7]采用藥芯焊絲雙絲冷金屬過渡焊接技術(shù)對雙相不銹鋼進(jìn)行堆焊試驗，發(fā)現(xiàn)所得焊縫均勻光滑，在冷卻過程中奧氏體先在鐵素體晶界析出并沿冷卻方向長大，隨著冷卻過程的進(jìn)行，尺寸均勻的細(xì)小奧氏體在鐵素體晶內(nèi)呈樹枝狀析出，接頭具有良好的顯微組織。WANG等[8]采用雙面同步TIG焊接雙相不銹鋼，獲得外觀和性能良好的雙相不銹鋼焊接接頭，并且在焊縫金屬中產(chǎn)生了大量二次奧氏體；與母材相比，接頭具有較高的抗拉強度和硬度，但是接頭因存在魏氏體組織而容易產(chǎn)生延時性斷裂。WANG等[9]研究發(fā)現(xiàn)，攪拌摩擦焊接雙相不銹鋼接頭攪拌區(qū)的硬度和抗拉強度均高于母材，且延展性也優(yōu)于母材。SANTOS等[10]采用熱絲TIG焊對雙相不銹鋼進(jìn)行焊接，發(fā)現(xiàn)接頭焊縫成形良好，沒有明顯的缺陷，且熱絲TIG焊接速度是傳統(tǒng)TIG焊接速度的數(shù)倍，從而大大提高了焊接效率。

2 焊接接頭的顯微組織

雙相不銹鋼焊接接頭一般由焊縫、低溫?zé)嵊绊憛^(qū)、高溫?zé)嵊绊憛^(qū)[11-12]和熔合區(qū)[13]4個區(qū)域組成。焊縫凝固的模式主要有2種：一種是以δ(鐵素體)相完成整個凝固過程，該過程用F表示[14]；另外一種是以δ相為初生相，依次發(fā)生包晶和共晶反應(yīng)，即L(液相)+δ→L+δ+γ(奧氏體)→δ+γ，該過程用FA表示[15]，該模式下凝固生成的初生δ相一般呈蠕蟲狀，可以阻礙γ枝晶的形成。雙相不銹鋼焊接過程中熔池主要以δ相完全凝固為主，而奧氏體相主要通過δ相發(fā)生固態(tài)相變得到。根據(jù)奧氏體生成位置和形貌特征的不同，可將其分為晶界奧氏體、魏氏奧氏體和晶內(nèi)奧氏體。由于δ相晶界處的形核能最低，在較高的溫度下即可先生成晶界奧氏體[16]；隨著鐵素體晶界處形核位置的減少，新晶核在鐵素體晶界處以側(cè)板條的形態(tài)向鐵素體晶內(nèi)生長，生成魏氏奧氏體[17]；若冷卻速率較慢，過冷度較大，則會在鐵素體晶內(nèi)生成奧氏體，即晶內(nèi)奧氏體。由于凝固過程是非平衡過程，因此δ相向奧氏體相的轉(zhuǎn)變是不可能完全進(jìn)行的，這意味著對于具有相同成分的焊縫金屬和母材，焊縫中的奧氏體相較少，且均在奧氏體化元素(鎳、錳、氮等) 多而鐵素體化元素(鉻、鉬等) 少的地方形核，這也導(dǎo)致后生成的魏氏奧氏體和晶內(nèi)奧氏體中的鉻、鉬含量均低于晶界奧氏體中的[18-19]。根據(jù)NORSOK M-601標(biāo)準(zhǔn)，雙相不銹鋼焊接接頭中奧氏體相的占比不應(yīng)低于30%。焊后的短時間固溶處理或多層焊再加熱處理均可使未充分轉(zhuǎn)變的鐵素體相再發(fā)生固態(tài)相變，使奧氏體相含量增加，該奧氏體稱為二次奧氏體；與一次奧氏體(F凝固模式和FA凝固模式生成的奧氏體)相比，二次奧氏體尺寸更細(xì)小，呈孿晶特征[20]，其結(jié)構(gòu)仍為面心立方結(jié)構(gòu)[21]，但是二次奧氏體更易在富鎳貧鉻鉬區(qū)域形核，導(dǎo)致焊縫局部耐腐蝕性能的降低[22]。

在焊接熱循環(huán)作用下，雙相不銹鋼焊接接頭整個熱影響區(qū)受到不同峰值溫度的作用。在低溫?zé)嵊绊憛^(qū)，加熱溫度低于固溶處理溫度，鐵素體與奧氏體兩相比例變化不大，在鐵素體晶界處易析出二次奧氏體，且與母材相比低溫?zé)嵊绊憛^(qū)具有更優(yōu)異的韌性[12]。WESTIN[23]研究發(fā)現(xiàn),UNS S32205(S31803)、S32304等低合金雙相不銹鋼在低溫?zé)嵊绊憛^(qū)不易發(fā)生Cr2N和σ相的析出。在峰值溫度超過固溶處理溫度的高溫?zé)嵊绊憛^(qū)，奧氏體相又溶入δ相中，生成過量的鐵素體，且形成粗大的δ單相組織，這種δ相在冷卻過程中可能會轉(zhuǎn)變成魏氏奧氏體，導(dǎo)致該區(qū)域的耐點蝕性能降低；氮元素在鐵素體中的固溶度比在奧氏體中的小，過量的鐵素體會導(dǎo)致鐵素體中氮元素含量過高，使得高溫?zé)嵊绊憛^(qū)在冷卻過程中析出Cr2N[14,24]，Cr2N的析出造成鐵素體邊界附近的鎳含量較高，而鉻含量較低，從而為二次奧氏體的析出創(chuàng)造了條件。研究[25-26]表明，在熱影響區(qū)鐵素體會發(fā)生共析反應(yīng)生成二次奧氏體和(Fe,Cr)23C6或者σ脆相。

3 焊接接頭的腐蝕類型

3.1 晶間腐蝕

雙相不銹鋼焊接接頭的耐腐蝕性能主要取決于鈍化元素的含量以及焊接接頭鐵素體和奧氏體兩相比例[27]。雙相不銹鋼焊接接頭在腐蝕介質(zhì)作用下易發(fā)生晶間腐蝕，這會引起焊縫金屬及母材力學(xué)性能和耐腐蝕性能的降低，其腐蝕機理符合貧鉻理論[28]。

SHI等[29]采用深熔鎢極氣體保護(hù)焊對S32101雙相不銹鋼進(jìn)行焊接，并且采用雙環(huán)動電位再活化法評估晶間腐蝕敏感性，發(fā)現(xiàn)：隨著熱輸入的降低，接頭的耐晶間腐蝕性能提高；熱輸入的增大使得奧氏體晶界從小角度晶界向大角度晶界轉(zhuǎn)變，這在一定程度上削弱了雜質(zhì)原子在晶界處的吸附和偏析，影響了晶界的穩(wěn)定性，從而增大了晶間腐蝕程度。KUMAR等[30]采用草酸腐蝕試驗和雙回路電化學(xué)電位活化技術(shù)研究了加鋯雙相不銹鋼的腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)鋯的加入使組織中形成了碳化鋯和氮化物的混合物，抑制了鉻的消耗，從而提高了耐晶間腐蝕性能。ZHANG等[31]研究表明，在純氬保護(hù)氣體中加入體積分?jǐn)?shù)2%氮氣可以提高雙相不銹鋼TIG焊接接頭焊縫的耐晶間腐蝕性能，這是因為氮抑制了Cr2N、M23C6在焊縫根部的析出，避免了鐵素體邊界處貧鉻，從而提高了抗晶間腐蝕能力。

綜上可知，防止雙相不銹鋼焊縫金屬晶間腐蝕的措施包括：選擇含有少量δ鐵素體的雙相不銹鋼母材或添加適當(dāng)?shù)暮辖鹪乜刂畦F素體的含量；選用低熱輸入的焊接工藝等。

3.2 點 蝕

點蝕是指在含Cl-的介質(zhì)中焊接接頭表面鈍化膜發(fā)生局部破壞而產(chǎn)生小孔或小坑的腐蝕形式，是腐蝕區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果。由于在焊接過程中金屬發(fā)生不平衡相變，焊接接頭熔合區(qū)附近的奧氏體相減少，δ相增多，在δ-δ相界上析出Cr2N、CrN、Cr23C6等，析出相周圍形成貧鉻層而優(yōu)先發(fā)生腐蝕形成點蝕孔[24，32-33]。在焊接接頭高溫?zé)嵊绊憛^(qū)，氮在δ相中呈過飽和狀態(tài)，導(dǎo)致其點蝕程度更嚴(yán)重[34]。曹靜等[35]通過添加微量鈦元素來促進(jìn)鐵素體在雙相不銹鋼中的形成，抑制富鉻相的產(chǎn)生，從而提高雙相不銹鋼的抗點蝕能力。YANG等[36]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)1 080 ℃短時固溶水冷處理后，UNS S31803雙相不銹鋼焊接接頭的耐點蝕性能得到顯著提高。ZHANG等[37]研究發(fā)現(xiàn)，UNS S32750雙相不銹鋼鎢極氣體保護(hù)電弧焊(GTAW)接頭獲得最優(yōu)異耐點蝕性能的固溶處理溫度為1 080 ℃。SANTOS等[38]也驗證了固溶處理可顯著提高焊接接頭和母材的耐點蝕性能的結(jié)果。綜上可知，可以通過添加合金元素、固溶處理來提高雙相不銹鋼的耐點蝕性能。

3.3 應(yīng)力腐蝕

雙相不銹鋼的屈服強度較高，表面鈍化膜發(fā)生表面滑移而破壞所需的應(yīng)力較大，且雙相不銹鋼中含有鉬元素和較多的鉻元素，因此其應(yīng)力腐蝕裂紋難以萌生；同時由于δ相和奧氏體相的電位不同，裂紋擴展機制不同，裂紋不易擴展。但是雙相不銹鋼焊接接頭中鐵素體與奧氏體組織不平衡，導(dǎo)致接頭易發(fā)生應(yīng)力腐蝕。

ALWIN等[39]研究發(fā)現(xiàn)：與雙相不銹鋼TIG焊接接頭相比，ATIG焊接接頭在155 ℃、質(zhì)量分?jǐn)?shù)45%氯化鎂溶液中具有更好的耐應(yīng)力腐蝕性能；ATIG焊接接頭在焊縫金屬處失效，而TIG焊接接頭在熱影響區(qū)失效。TOPOLSKA等[40]研究發(fā)現(xiàn)，在2205雙相不銹鋼/316L奧氏體不銹鋼異種金屬焊接接頭中，雙相不銹鋼側(cè)的熱影響區(qū)中含有大量的鐵素體和針狀奧氏體，其抗氯化物應(yīng)力腐蝕開裂能力較差。韓鵬[41]研究發(fā)現(xiàn)：去應(yīng)力退火可消除雙相不銹鋼焊接接頭焊縫內(nèi)的殘余應(yīng)力，提高焊縫整體的耐應(yīng)力腐蝕能力；焊接所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力主要集中在熱影響區(qū)，且奧氏體中的殘余應(yīng)力大于鐵素體中的殘余應(yīng)力，因此熔合區(qū)附近的熱影響區(qū)易發(fā)生應(yīng)力腐蝕。

4 焊接缺陷

4.1 裂 紋

雙相不銹鋼焊接接頭最薄弱的區(qū)域是熔合線附近的高溫?zé)嵊绊憛^(qū)[42-43]，這與該區(qū)域的相比例失衡和二次相的析出有關(guān)，在焊接過程中該區(qū)域中易產(chǎn)生裂紋。雙相不銹鋼焊接接頭的熱裂傾向較小，在應(yīng)變不大于2%的條件下，其抗熱裂性能較優(yōu)異；但是對于含銅的雙相不銹鋼，銅、磷與鐵會形成復(fù)雜的液態(tài)薄膜，從而增大雙相不銹鋼焊接接頭的熱裂傾向，或者當(dāng)存在很高的應(yīng)變時，雙相不銹鋼焊接接頭的熱裂傾向也會增大。YANG等[44]對在工作溫度100 ℃左右和工作壓力0.2 MPa條件下運行1 a的雙相不銹鋼反應(yīng)堆容器進(jìn)行失效分析后發(fā)現(xiàn)：裂紋在熱影響區(qū)萌生，焊縫金屬出現(xiàn)沿晶開裂和少量穿晶開裂，焊縫組織中鐵素體占比為80%～90%；導(dǎo)致裂紋出現(xiàn)的原因是焊接工藝不合理，過快的冷卻速率導(dǎo)致焊縫金屬中形成較多δ相，且晶粒粗大，同時易造成元素偏析，從而增大了接頭的熱裂傾向。

4.2 焊縫金屬的脆化

雙相不銹鋼在焊接過程中存在粗晶脆化、σ相脆化以及475 ℃脆化現(xiàn)象。雙相不銹鋼的粗晶脆化傾向與δ相的存在以及焊縫冷卻速率有關(guān)。18-5型、22-5型、25-5型雙相不銹鋼焊接接頭中鉻氮化物的析出對熱影響區(qū)的韌性影響很大；當(dāng)奧氏體相占比小于30%時，氮化物越多，熱影響區(qū)的韌性越差。熱影響區(qū)的韌性受制于δ→γ轉(zhuǎn)變的程度及奧氏體相的形態(tài)，當(dāng)奧氏體相呈魏氏組織特征時，接頭的低溫韌性顯著降低。ZHONG等[45]研究發(fā)現(xiàn)，冷卻速率是影響雙相不銹鋼相變和熱應(yīng)力的關(guān)鍵因素，隨著冷卻速率的降低，奧氏體相尺寸明顯增大，從而發(fā)生粗晶脆化。

雙相不銹鋼中σ相的析出機理有2種：一種是在奧氏體及鐵素體相界中通過層狀共析而在M23C6與二次奧氏體相界處產(chǎn)生的σ脆性相；另一種是由鐵素體共析反應(yīng)形成的σ脆性相[28]。σ相堅硬、易碎，易在α/γ相界富鉻、鉬處析出，會使雙相不銹鋼的韌性變差[46-47]。同時，σ相附近的鉻、鉬元素含量很低，造成雙相不銹鋼的耐點蝕性能下降[48-49]。BADJI等[50]研究發(fā)現(xiàn)：對2205雙相不銹鋼鎢極氬弧焊接頭進(jìn)行退火處理后，焊縫中δ鐵素體共析分解生成σ相和Cr23C6碳化物，且主要分布在δ/γ相界處；隨著退火溫度的升高，σ相的數(shù)量減少。BADJI等[51]研究發(fā)現(xiàn)，預(yù)先固溶處理后2205雙相不銹鋼鎢極氬弧焊接頭中的σ相在δ/γ相界和δ晶粒內(nèi)析出，同時提高固溶溫度可延遲σ相的析出。WANG等[52]研究發(fā)現(xiàn)，銫的加入加速了δ晶粒形核，細(xì)化了凝固組織，降低了鉬和鉻的偏析程度，并抑制了σ相的析出。

雙相不銹鋼接頭在430～480 ℃溫度區(qū)間長時間加熱并緩慢冷卻后，其鐵素體相中會析出富鉻α′脆性相，導(dǎo)致焊接接頭出現(xiàn)475 ℃脆化現(xiàn)象，但是其耐磨性得到顯著提高；可通過在700～800 ℃加熱后空冷處理的方法來消除475 ℃脆化現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

雙相不銹鋼結(jié)合了奧氏體鋼和鐵素體鋼的優(yōu)點，具有良好的焊接性能、耐腐蝕性能、耐磨性能以及優(yōu)良的力學(xué)性能。雖然國內(nèi)外對雙相不銹鋼的焊接性能進(jìn)行了大量的研究，并取得了許多階段性成果，但是如何避免接頭過熱而保持鐵素體和奧氏體兩相比例平衡，如何避免焊接過程中缺陷的產(chǎn)生，如何抑制有害相的析出以及相關(guān)機理分析都是需要進(jìn)一步解決的問題。今后雙相不銹鋼焊接性能的研究重點包括：探索新的焊接方法，將熱輸入低、焊接效率高且能使焊縫形成足夠多奧氏體的焊接方法應(yīng)用到雙相不銹鋼焊接中；改進(jìn)傳統(tǒng)焊接方法，在原有焊接方法基礎(chǔ)上進(jìn)行2種或者多種焊接方法融合；優(yōu)化焊接工藝，保證熔合比的穩(wěn)定，避免出現(xiàn)成分偏析、晶粒粗大、二次相析出、熱影響區(qū)奧氏體含量不足等現(xiàn)象；研究二次相的析出機理以及奧氏體形態(tài)的控制，以獲得性能優(yōu)異的雙相不銹鋼焊接接頭。