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双相不锈钢焊缝组织演变与腐蚀行为研究

谭华  
【摘要】:双相不锈钢的微观组织由铁素体(α)与奥氏体(γ)两相构成,结合了铁素体和奥氏体两种不锈钢的优点。它的优良性能取决于其微观组织,铁素体与奥氏体两相比例接近1:1,且无有害二次相析出。然而焊接过程破坏了双相不锈钢的微观组织,从而恶化了双相不锈钢的性能尤其是其优良的卤素离子环境下局部腐蚀抗力。双相不锈钢在400℃~1300℃温度范围内除铁素体和奥氏体两相外还包括σ,χ,M23C6,Cr2N,γ2,α’等众多析出相。在双相不锈钢高温热处理过程中(1000℃~1250℃),存在两相比例的调整与合金元素在两相分配等问题,在中温热处理过程中(600℃~1000℃),存在众多析出相的析出动力学问题。焊接的温度范围从室温到熔点(1500℃以上)覆盖了双相不锈钢高温过程与中温过程,因此即存在两相平衡又存在各类析出相的析出问题。除此之外,焊接过程不同于一般热处理的特殊之处体现在以下三个方面:a.焊缝熔合区是一个冶金凝固过程;b.焊缝所经历的热过程是一个快速变温过程;c.焊缝所经历的热循环不仅与焊接参数有关而且与热影响区的位置有关;这些焊接过程特殊性进一步加剧了双相不锈钢焊缝微观组织的复杂性。焊接过程复杂性与焊缝组织复杂性使得双相不锈钢焊接研究非常困难。本论文研究了利用Gleeble热模拟机模拟热影响区所经历的热循环过程与实际焊接过程中双相不锈钢微观组织演变过程包括相比例、合金元素在两相分配、二次有害析出相等问题,建了一系列针对双相不锈钢焊缝复杂组织局部腐蚀评价新方法与技术(包括临界点蚀温度、脉冲电位技术、亚微米点蚀电流波动技术、双环电化学再活化法)揭示了复杂组织的弱相区,阐明了焊接工艺热处理制度、组织演变与腐蚀规律三者之间的内在联系,为双相不锈钢焊接制度优化、成分优化、组织控制、焊后热处理制度优化等众多方面提供科学依据与数据支撑,具有重要的科学与工程应用价值。 (1)论文首先系统研究了超级双相不锈钢2507在等温热处理过程中包括高温固溶(1000℃~1200℃)与中温时效(900℃)微观组织演变与相应的腐蚀规律。阐明了高温区间两相比例、合金元素分配与点蚀规律之间的内在联系,确定了最优化的高温固溶制度在1080℃。建立了超级双相不锈钢2507晶间腐蚀敏感性快速电化学评价方法DLEPR,并通过DLEPR揭示晶间腐蚀敏感性与中温敏化过程金属间析出相(σ,χ)析出动力学之间关系。研究表明2507晶间腐蚀敏感度Ra随着900℃时效时间增加先增加后下降,在4h时Ra达到最大17%。Ra先增加是由于σ相析出增多产生更多贫铬二次奥氏体相γ2导致,下降是由于铬元素扩散自修复效果所致。 (2)利用Gleeble热模拟机模拟焊接热循环变温过程对经济型双相不锈钢2304与超级双相不锈钢2507微观组织演变及相应的点蚀规律。系统研究了热输入或1350~800℃冷速对低合金和高合金两种双相不锈钢微观组织与点蚀规律的影响;研究了多道焊接热循环过程中两种2304双相不锈钢微观组织演变与点蚀行为,阐明了焊接道数、合金成分,微观组织和点蚀抗力之间的内在联系;研究了合金成分对双相不锈钢2304高温热影响区组织演变与腐蚀规律的影响,阐明了高温热影响区点蚀性能和组织演变与铬镍当量比值的内在联系,最终对2304合金成分进行优化设计。 (3)研究三种实际双相不锈钢焊缝(等离子体弧焊缝、激光焊焊缝和钨极氩弧焊焊缝)复杂微观组织与点蚀性能,揭示了复杂焊缝组织中最弱区域为高温热影响区的铁素体相,并阐明了点蚀性能下降本质原因是焊接非平衡过程中扩散不充分高温热影响区的铁素体相中铬与钼含量较母材低,并对比研究三种焊缝的差异。针对点蚀抗力下降明显的焊缝进行短时焊后热处理以改善其微观组织提高其点蚀抗力。研究了焊后热处理制度对双相不锈钢焊缝组织的影响及其腐蚀规律,确定了最优化的焊后热处理制度。最后利用SEM与TEM相结合研究了焊缝中Cr2N的析出规律与焊后热处理对Cr2N的影响,并指出亚稳态点蚀可能萌生于Cr2N周边贫铬区。


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