300℃時效處理對TA2/2205復(fù)合板組織性能的影響

楊 歡，布偉剛，司繼海，龐國慶，趙 峰，張 濤

（西安天力金屬復(fù)合材料股份有限公司，陜西 西安 713703）

2205是中合金型雙相不銹鋼的代表品種，其中應(yīng)用較普遍，在雙相不銹鋼中的使用占比高達(dá)80%[1]。2205雙相不銹鋼具有鐵素體和奧氏體兩相組織，兼有鐵素體相的高強(qiáng)度、良好的耐氯離子應(yīng)力腐蝕和奧氏體相優(yōu)良的韌性、塑性和焊接性能。點(diǎn)蝕在化工生產(chǎn)及航海業(yè)中常常會遇到，但鈦表面能完全抑制材料表面點(diǎn)蝕的萌生。鈦/鋼復(fù)合板是采用物理和化學(xué)的方法，將鈦及鈦合金與鋼材結(jié)合在一起的復(fù)合板材[2]。鈦/鋼復(fù)合板具有復(fù)層優(yōu)異的耐蝕性能，又結(jié)合了基層高強(qiáng)度和剛度的特點(diǎn)。雙相不銹鋼由于線性熱膨脹系數(shù)較奧氏體不銹鋼低，與碳鋼接近，所以可采用爆炸焊接的方法與鈦焊接制成雙金屬復(fù)合板，較鈦板相比，鈦/鋼復(fù)合板成本低而性能優(yōu)良，已被廣泛應(yīng)用于壓力容器、電站冷凝設(shè)備、石油化工和化纖裝置、水利發(fā)電等。

復(fù)合板在爆炸復(fù)合生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生熱應(yīng)力，因此爆炸復(fù)合板一般都要進(jìn)行去應(yīng)力退火。在熱加工過程中，由于工藝參數(shù)控制不當(dāng)，材料組織中甚至?xí)形龀鱿辔龀觯p相不銹鋼析出相的出現(xiàn)溫度范圍為300～1000℃，析出相的出現(xiàn)對材料的力學(xué)性能、耐蝕性能均會產(chǎn)生影響[3-5]。選取300℃作為TA2/2205復(fù)合板時效溫度，以探究低溫時效對材料組織及性能的影響。

1 試驗材料及方法

試驗材料為2205雙相不銹鋼，其化學(xué)成分見表1。

表1 2205雙相不銹鋼主要化學(xué)成分

本研究所使用的試樣先經(jīng)過固溶處理（1050℃-2h-水冷），使得到奧氏體γ相和鐵素體α相兩相平衡的組織。TA2/2205復(fù)合板時效溫度為300℃空冷，保溫時間為4 h。其次對試樣進(jìn)行顯微組織觀察和力學(xué)性能進(jìn)行測試。根據(jù)GB/T 2010將試樣加工成標(biāo)距為30 mm，平行部分直徑為6 mm的棒狀拉伸試樣，在RSA250（F295）萬能試驗機(jī)上進(jìn)行常溫拉伸試驗；使用HD1875硬度測試儀測量試樣硬度；在LWS-160雙工位鋼筋冷彎試驗機(jī)上完成復(fù)合板彎曲試驗。每個測試條件測試三個有效樣品，結(jié)果均取平均值。

采用動電位極化曲線及FeCl3浸泡方法研究其腐蝕性能。借助P4000電化學(xué)工作站，對試樣的腐蝕性能進(jìn)行測試。選3.5%NaCl為腐蝕液，腐蝕液溫度為30℃。測試區(qū)間為-1 V～1.5 V，掃描速率為2 mV·s-1。FeCl3浸泡試驗按ASTM A923-14法進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀組織分析

圖1為原始態(tài)2205和TA2/2205復(fù)合板在300℃時效處理、4 h空冷后雙相鋼的金相顯微組織，圖中深色部分是鐵素體α相、島嶼部分淺色組織是奧氏體γ相。由顯微組織可以看出，在300℃時效處理后只有鐵素體α相和奧氏體γ相產(chǎn)生，且分布均勻，晶粒細(xì)小，基本上沒有任何析出相。使用Image Pro Plus軟件對鐵素體相含量進(jìn)行計算，得到如表2所示結(jié)果。發(fā)現(xiàn)原始態(tài)2205和300℃時效溫度處理后TA2/2205復(fù)合板的鐵素體α相含量均接近50%，即鐵素體α相和奧氏體γ相兩相比例均接近1∶1。研究表明，當(dāng)鐵素體α相跟奧氏體γ相相比例接近1∶1時雙相不銹鋼的綜合性能最佳，具有較好的抗腐蝕能力以及較優(yōu)的力學(xué)性能[6]。因而TA2/2205復(fù)合板的基板兼?zhèn)滂F素體和奧氏體組織的優(yōu)點(diǎn)。

圖1 2205雙相不銹鋼在的金相組織

表2 2507超級雙相不銹鋼鐵素體的相比

2.2 力學(xué)性能分析

表3為TA2/2205復(fù)合板在300℃時效處理、4 h空冷后和原始態(tài)2205的相關(guān)力學(xué)性能的具體數(shù)值。

表3 原始態(tài)和TA2/2205復(fù)合板相關(guān)力學(xué)性能

表3反映了原始態(tài)2205和300℃時效處理、4 h空冷后TA2/2205復(fù)合板基板的屈服強(qiáng)度、伸長率和硬度值。由表中可以看出，2205作為復(fù)合板的基材后屈服強(qiáng)度和硬度值均增大，而伸長率減小。較原始態(tài)2205屈服強(qiáng)度和硬度值分別增大1.9%和5.95%，伸長率減少5.96%。力學(xué)性能比較發(fā)現(xiàn)，TA2/2205復(fù)合板熱處理后強(qiáng)度升高，韌性下降。復(fù)合板在爆炸復(fù)合生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生熱應(yīng)力，復(fù)合板內(nèi)殘余應(yīng)力的存在會嚴(yán)重地影響，基體金屬的強(qiáng)度和硬度、剛度、加工精度和尺寸穩(wěn)定性，耐蝕性等物理化學(xué)性能。此類應(yīng)力一般會提高材料的強(qiáng)度，特別是屈服強(qiáng)度，而會降低材料的塑性[7]。

從應(yīng)力的性質(zhì)分析，低溫消應(yīng)力的復(fù)合板主要是以消除壓應(yīng)力為主，且不能完全消除應(yīng)力。通過比較表3中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，2205作為復(fù)合板的基材后較原始態(tài)2205相比較力學(xué)性能值變化不大。因此，選擇300℃對TA2/2205復(fù)合板進(jìn)行時效退火是可行的。同時，表3也反應(yīng)出我公司生產(chǎn)的TA2/2205復(fù)合板滿足GB/T8546-2007 B1級標(biāo)準(zhǔn)，剪切強(qiáng)度高達(dá)標(biāo)準(zhǔn)的3倍。

2.3 腐蝕性能分析

圖2為2205和300℃時效處理、4 h空冷后TA2/2205復(fù)合板基板測試的Tafel曲線。從圖中可以看出，原始態(tài)和復(fù)合板基板不銹鋼試樣均有明顯的鈍化區(qū)。由圖中可以看出，2205作為復(fù)合板的基材時效處理后點(diǎn)蝕點(diǎn)位Eb為1.01 V，原始態(tài)2205點(diǎn)蝕電位Eb為1.07 V，原始態(tài)2205點(diǎn)蝕電位較2205作為復(fù)合板的基材時效處理后點(diǎn)蝕點(diǎn)位高0.06 V。通過對極化曲線陽極區(qū)和陰極區(qū)的線性擬合，可得到的不同時效溫度下自腐蝕電流密度及變化趨勢。自腐蝕電流密度Icoor能更準(zhǔn)確的評價材料耐蝕性能。一般自腐蝕電流密度越小，材料的腐蝕傾向越弱，即材料的耐腐蝕性能越好。從Tafel曲線中可以看出原始態(tài)2205的電流密度Icoor值更小，故2205作為復(fù)合板的基材時效處理后較原始態(tài)2205耐點(diǎn)腐蝕性能減弱。

圖2 原始態(tài)2205和TA2/2205復(fù)合板在300℃下的Tafel曲線

圖3為采用ASTM A923-14法，將原始態(tài)2205和TA2/2205復(fù)合板基板雙相不銹鋼置于22℃，6%FeCl3腐蝕溶液，浸泡24 h后的宏觀形貌圖。從圖中可以看出，原始態(tài)2205和TA2/2205復(fù)合板基板雙相不銹鋼浸泡后的試樣，用肉眼觀察不出明顯的腐蝕坑。通過計算腐蝕速率（表4）可以看出，2205作為復(fù)合板的基材和原始態(tài)2205不銹鋼腐蝕速率均為0mdd。吳瑋巍[8]等在對比FeCl3浸泡方法和電化學(xué)方法時，提出FeCl3浸泡方法考慮的是穩(wěn)定點(diǎn)蝕形成后的發(fā)展過程，其結(jié)果側(cè)重于評價不銹鋼抑制穩(wěn)態(tài)點(diǎn)蝕長大的能力。原始態(tài)2205和TA2/2205復(fù)合板基板雙相不銹都具有抑制點(diǎn)蝕長大的能力。考慮實際應(yīng)用中，TA2/2205復(fù)合板復(fù)層TA2作為與腐蝕液接觸面，TA2的耐腐蝕性能較2205雙相不銹點(diǎn)蝕點(diǎn)位更高。

圖3 2205雙相不銹鋼經(jīng)過FeCl3浸泡后的宏觀圖

表4 2205雙相不銹鋼經(jīng)過FeCl3浸泡后的腐蝕速率

3 結(jié)論

（1）通過觀察金相組織發(fā)現(xiàn)，300℃時效溫度處理后TA2/2205復(fù)合板雙相鋼無析出相產(chǎn)生，鐵素體α相含量和奧氏體γ相與原始態(tài)相比例均接近1∶1。

（2）300℃時效溫度處理后TA2/2205復(fù)合板雙相鋼，較原始態(tài)2205不銹鋼強(qiáng)度和增大，而韌性減小，且TA2/2205復(fù)合板的剪切強(qiáng)度高達(dá)標(biāo)準(zhǔn)的3倍。

（3）電化學(xué)測試發(fā)現(xiàn)，2205作為復(fù)合板的基材的點(diǎn)蝕點(diǎn)位為1.01 V，與原始態(tài)電位相差0.06 V；ASTM A923-14法測試發(fā)現(xiàn)，2205作為復(fù)合板的基材與原始態(tài)2205不銹鋼腐蝕速率均為0 mdd。