激光熱處理對(duì)S32101修復(fù)區(qū)組織和性能的影響

宋曠達(dá)， 孫宏偉， 杜嫻， 朱加雷， 張本順， 劉超， 焦向東

(1.北京石油化工學(xué)院，北京102617；2.江蘇自動(dòng)化研究所，江蘇 連云港 222000；3.陸軍裝甲兵學(xué)院,機(jī)械產(chǎn)品再制造國(guó)家工程研究中心，北京100072)

0 前言

雙相不銹鋼結(jié)合了奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的性能優(yōu)點(diǎn)，具有優(yōu)異的耐晶間腐蝕、耐點(diǎn)蝕和耐氯化物應(yīng)力腐蝕性能，同時(shí)也賦予了其優(yōu)良的強(qiáng)韌性、焊接性，目前被廣泛服役于海洋工程、船舶、核電和石油化工等領(lǐng)域，S32101雙相不銹鋼的開發(fā)成為雙相不銹鋼領(lǐng)域新的研究路徑[1-3]。

S32101雙相鋼焊接時(shí)不可避免地要經(jīng)歷高溫循環(huán)，處理不當(dāng)很容易生成沉淀相，使相比例失衡，接頭性能下降，需通過(guò)合適的焊后熱處理予以改善。Zhang 等人[4]研究了不同溫度下短時(shí)間熱處理對(duì)雙相不銹鋼焊縫組織演變和點(diǎn)蝕行為的影響，結(jié)果表明,熱影響區(qū)鐵素體相含量超過(guò)奧氏體相，易受點(diǎn)蝕侵蝕；經(jīng)短時(shí)間熱處理后，熱影響區(qū)過(guò)度鐵素體化現(xiàn)象明顯緩解，在1 080 ℃時(shí)，焊縫的抗點(diǎn)蝕性能最高。Zhang等人[5]模擬焊接接頭，對(duì)不銹鋼進(jìn)行惡化處理，將3種雙相不銹鋼奧氏體含量降低后，利用激光對(duì)惡化后的雙相不銹鋼進(jìn)行表面熱處理，結(jié)果表明,激光熱處理對(duì)焊接接頭的奧氏體含量和耐蝕性有很好的恢復(fù)作用。汪海濤等人[6]采用快速中頻感應(yīng)加熱和控制冷卻的熱處理方法，有效地調(diào)整了雙相不銹鋼激光焊接頭的雙相比例，得到了具有良好的力學(xué)性能的焊接接頭。叢發(fā)敏等人[7]采用不同溫度對(duì)S31803雙相不銹鋼焊接接頭進(jìn)行固溶處理，發(fā)現(xiàn)焊接接頭經(jīng)過(guò)固溶處理后，奧氏體所占比例增大，焊縫上下層的硬度趨于接近，焊接接頭耐腐蝕性能得到了提高，1 050 ℃固溶處理后耐腐蝕性能最佳。李添祺等人[8]采用不同溫度對(duì)2205雙相不銹鋼進(jìn)行固溶處理，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)1 050 ℃固溶處理后的焊接接頭析出相和顆粒物消失，奧氏體組織含量提高，韌性增加，硬度降低。朱杰等人[9]研究了固溶處理對(duì)雙相不銹鋼組織和耐腐蝕性能的影響，結(jié)果表明，隨著固溶時(shí)間的延長(zhǎng)，雙相不銹鋼中鐵素體含量增加，奧氏體含量減少；隨固溶溫度的增加，雙相不銹鋼耐應(yīng)力腐蝕性能由好變差，在 1 120 ℃固溶 4 h 時(shí)，耐應(yīng)力腐蝕性能最佳。

激光表面處理技術(shù)作為表面工程中一個(gè)十分活躍的新興領(lǐng)域[10]，不同于固溶處理的等溫高溫轉(zhuǎn)變，而是在激光源相互作用體積內(nèi)的每個(gè)點(diǎn)迅速加熱，然后熱量傳導(dǎo)到周圍材料而冷卻。激光熱處理充分利用激光加熱精度高，熱輸入量低和易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的優(yōu)點(diǎn)，是一項(xiàng)能夠滿足特殊要求的加熱方法[11-12]。文中通過(guò)對(duì)S32101雙相不銹鋼修復(fù)區(qū)進(jìn)行不同功率的激光熱處理，探討了激光熱處理對(duì)S32101修復(fù)區(qū)組織和性能的影響，為制定S32101雙相不銹鋼焊接和焊后熱處理工藝提供了參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用S32101雙相不銹鋼板和ER2209不銹鋼焊絲，化學(xué)成分見(jiàn)表1和表2。板材尺寸為400 mm×200 mm×13 mm，所開U形坡口示意圖如圖1所示。

表1 S32101雙相不銹鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 ER2209不銹鋼焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖1 U形坡口示意圖

1.2焊接工藝

采用激光填絲焊對(duì)S32101雙相不銹鋼板進(jìn)行焊接修復(fù)，光纖激光器的最大輸出功率為6 kW，輸出波長(zhǎng)為 1 080 nm；焊接過(guò)程采用側(cè)面保護(hù)方式，保護(hù)氣體為99.99%氮?dú)?，氣體流量為30 L/min。通過(guò)正交試驗(yàn)、單道單因素變量試驗(yàn)，獲得焊縫成形良好的焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 激光填絲焊工藝參數(shù)

1.3熱處理工藝

分別用0 kW，1 kW，2 kW，3 kW，4 kW激光功率對(duì)相同工藝參數(shù)焊接的5條焊縫進(jìn)行焊后激光熱處理，具體工藝參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 激光熱處理工藝參數(shù)

1.4組織和性能檢測(cè)

將不同激光功率熱處理所得修復(fù)區(qū)采用線切割加工成20 mm×15 mm×15 mm的試樣，經(jīng)打磨、拋光、腐蝕后，用金相顯微鏡觀察，對(duì)比分析組織中鐵素體和奧氏體兩相比例和分布形態(tài)；使用顯微硬度計(jì)測(cè)量修復(fù)區(qū)的顯微硬度，所加載荷為4.9 N，作用時(shí)間為10 s，測(cè)定方法為：由焊縫中心向母材方向進(jìn)行縱向取點(diǎn)，每隔0.2 mm取一個(gè)點(diǎn)，顯微硬度測(cè)試示意圖如圖2所示；對(duì)處理試樣進(jìn)行全焊縫拉伸試驗(yàn)，拉伸試樣示意圖如圖3所示；用掃描電鏡觀察試樣的拉伸斷口；對(duì)處理試樣進(jìn)行電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)，采用VersaSTAT 3F電化學(xué)工作站，以飽和甘汞電極為參照電極，鉑電極為輔助電極，掃描速度0.167 mV/s，測(cè)定了3.5%NaCl溶液中不同接頭的極化曲線。

圖2 顯微硬度測(cè)試示意圖

圖3 拉伸試樣示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1顯微組織

不同熱處理?xiàng)l件下 S32101 雙相不銹鋼修復(fù)區(qū)域的顯微組織如圖4所示，圖中深色區(qū)域?yàn)殍F素體(α)組織，淺色區(qū)域?yàn)閵W氏體(γ)組織。通過(guò) Image Pro Plus6.0 軟件，測(cè)算白色奧氏體相所占的比例，奧氏體著色效果圖如圖4f所示，經(jīng)過(guò)著色統(tǒng)計(jì)測(cè)算，0 kW，1 kW，2 kW，3 kW，4 kW激光熱處理后修復(fù)區(qū)奧氏體所占比例分別為45.5%，47.9%，52.3%，55.9%，57.3%。由圖4a可以看出，焊后未經(jīng)激光熱處理，其奧氏體由羽毛狀魏氏奧氏體(WA)、長(zhǎng)條狀晶界奧氏體(GBA)與小片狀晶內(nèi)奧氏體(IGA)組成。由圖4b可以看出，經(jīng)過(guò)1 kW功率激光再熱處理后，大量細(xì)小奧氏體晶粒從鐵素體邊界析出，由圖4c，圖4d可以看出，經(jīng)2 kW，3 kW功率激光熱處理后，焊縫處奧氏體以羽毛狀魏氏奧氏體、小片狀晶內(nèi)奧氏體和不均勻奧氏體晶粒為主，羽毛狀魏氏奧氏體區(qū)域面積較大，除此之外，奧氏體分布縱橫交錯(cuò)，更加不規(guī)律。由圖4e可以看出，當(dāng)激光熱處理功率增加到4 kW，其奧氏體晶粒細(xì)化更加明顯，個(gè)別區(qū)域不均勻晶粒析出較多，所占區(qū)域面積較大且成片分布，表明隨著激光熱處理功率的增加，奧氏體晶粒明顯細(xì)化且?jiàn)W氏體含量有一定的增加，原因是激光再熱處理可實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)加熱，冷卻速度快，過(guò)冷度大，對(duì)不均勻晶粒的產(chǎn)生起到一定的促進(jìn)作用，使晶粒更加細(xì)小、數(shù)量增加，且焊接熱輸入與激光功率有關(guān)，焊接熱輸入隨著激光功率的增加而得到了一定的提高，熱輸入的提高可以增加奧氏體析出的保溫時(shí)間，使奧氏體轉(zhuǎn)變充分，增加了修復(fù)區(qū)中奧氏體的含量。

圖4 不同功率激光熱處理?xiàng)l件下修復(fù)區(qū)的顯微組織

2.2顯微硬度

不同激光功率熱處理修復(fù)區(qū)的顯微硬度測(cè)量結(jié)果如圖5所示，由圖5可以看出，焊縫區(qū)硬度最高，熱影響區(qū)略高于母材，原因一是焊縫中心在焊接時(shí)加入了一定的合金元素，大量合金元素冷卻凝固時(shí)堆積在焊縫中心，提高了焊縫的硬度；二是與母材相比，焊縫晶粒細(xì)化明顯，奧氏體晶粒尺寸小于母材，因此焊縫區(qū)域硬度最高。熱影響區(qū)在焊接過(guò)程只是受熱產(chǎn)生熔化，并無(wú)合金元素的加入，所以熱影響區(qū)是修復(fù)區(qū)較為薄弱的區(qū)域，但與母材相比熱影響區(qū)經(jīng)過(guò)激光加熱處理，對(duì)晶粒細(xì)化、兩相平衡仍有一定的幫助，所以熱影響區(qū)硬度仍略高于母材。與未經(jīng)激光熱處理的焊縫相比，經(jīng)激光熱處理后，焊縫區(qū)顯微硬度有所下降，隨激光熱處理功率的繼續(xù)提高，焊縫區(qū)硬度值無(wú)明顯規(guī)律性變化，原因是在S32101雙相不銹鋼中，鐵素體硬度大于奧氏體，經(jīng)激光熱處理后，焊縫區(qū)鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變，奧氏體含量有所增加，導(dǎo)致整體硬度有所下降，但與母材相比其晶粒細(xì)化明顯，所以硬度仍高于母材。

圖5 不同功率激光熱處理?xiàng)l件下修復(fù)區(qū)的顯微硬度

2.3拉伸性能

不同激光功率熱處理修復(fù)區(qū)拉伸測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。母材的抗拉強(qiáng)度均為740 MPa，屈服強(qiáng)度約為590 MPa，從表中數(shù)據(jù)可以看出，修復(fù)區(qū)的力學(xué)性能較為優(yōu)異，室溫抗拉強(qiáng)度達(dá)到800 MPa以上，最低屈服強(qiáng)度達(dá)到686 MPa，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均優(yōu)于母材，原因是焊接過(guò)程中熔池的Cr，Ni等原子在高溫下將晶格中的Fe原子置換，形成了置換固溶體，此時(shí)晶格畸變，一定程度上阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高了焊縫處的強(qiáng)度[13]。激光功率在0～3 kW時(shí)，隨著激光熱處理功率的升高，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度有所提高，原因一是隨著熱處理功率的升高，促進(jìn)了晶粒細(xì)化，使其拉伸力學(xué)性能有所提高，原因二是在修復(fù)區(qū)處鐵素體相與奧氏體相交錯(cuò)無(wú)序布置，這種結(jié)構(gòu)在發(fā)生位錯(cuò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生更大的滑移阻力，從而使接頭強(qiáng)化。激光功率達(dá)到4 kW時(shí)，奧氏體含量的持續(xù)增加影響了接頭的抗拉強(qiáng)度，盡管晶粒得到細(xì)化，但當(dāng)奧氏體含量較高時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度會(huì)有所下降[14]。

表5 不同功率的激光熱處理?xiàng)l件下修復(fù)區(qū)拉伸性能測(cè)試結(jié)果

不同功率激光熱處理?xiàng)l件下修復(fù)區(qū)的拉伸斷口形貌如圖6所示，由圖6可以看出，5種試件均為典型的韌性斷裂形貌，斷面為許多細(xì)小的凹坑并夾雜少量孔洞，凹坑尺寸均勻，為典型的等軸狀韌窩，表明激光熱處理后修復(fù)區(qū)仍有良好的韌性。

圖6 不同功率激光熱處理?xiàng)l件下修復(fù)區(qū)的拉伸斷口形貌

2.4耐腐蝕性能分析

不同激光功率激光熱處理修復(fù)區(qū)的極化曲線如圖7所示，通過(guò)測(cè)量TAFEL極化曲線比較5種情況下修復(fù)區(qū)的耐腐蝕性能，金屬的耐腐蝕性能可以用腐蝕電流密度和自腐蝕電位來(lái)表示，自腐蝕電位反映腐蝕的難易程度，腐蝕電流密度反映腐蝕速度[7]。自腐蝕電位和腐蝕電流密度分析結(jié)果見(jiàn)表 6。結(jié)果表明，經(jīng)1 kW，2 kW，3 kW，4 kW激光功率的熱處理后，其自腐蝕電位有所提高，自腐蝕電流密度有所降低，表明腐蝕速率有所下降，耐腐蝕性能有所提高。主要原因一是由于熱處理后的晶粒細(xì)化提高了修復(fù)區(qū)的耐腐蝕性，二是點(diǎn)蝕發(fā)生在鐵素體和奧氏體的相界面處并向鐵素體內(nèi)生長(zhǎng)[15]，相比鐵素體，奧氏體具有較好的耐腐蝕能力，所以?shī)W氏體含量的增多也是耐腐蝕能力提高的主要原因之一。

圖7 不同功率激光熱處理?xiàng)l件下修復(fù)區(qū)的極化曲線

表6 電化學(xué)腐蝕分析結(jié)果

3 結(jié)論

(1)激光熱處理后修復(fù)區(qū)內(nèi)大量奧氏體從鐵素體邊界析出，奧氏體晶粒明顯細(xì)化，奧氏體含量有一定的增加，且?jiàn)W氏體分布縱橫交錯(cuò)，更加不規(guī)律。

(2)激光熱處理后修復(fù)區(qū)硬度有所降低，但仍高于母材，原因是焊縫區(qū)鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變，奧氏體含量有所增加，導(dǎo)致整體硬度有所下降，但與母材相比其晶粒得到細(xì)化，所以硬度仍高于母材。

(3)激光熱處理后修復(fù)區(qū)抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度有所提高，主要原因是晶粒細(xì)化，鐵素體與奧氏體相交錯(cuò)無(wú)序分布導(dǎo)致了接頭強(qiáng)化。在激光功率繼續(xù)提高到4 kW時(shí)，抗拉強(qiáng)度有所降低，主要原因是奧氏體含量的持續(xù)增加導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度下降。5種試件均為典型的韌性斷裂形貌，表明激光熱處理后修復(fù)區(qū)仍有良好的韌性。

(4)激光熱處理后修復(fù)區(qū)耐腐蝕性能有所提高，晶粒細(xì)化、奧氏體含量的增多是其耐腐蝕性能提高的主要原因。