雙相不銹鋼焊接性能及接頭耐腐蝕性能的研究現狀

秦 琴，田金欣，唐詩佳，楊昊東，顏子鎰，黃泰博，李昀珅

(成都錦城學院智能制造學院，成都 611731)

0 引 言

雙相不銹鋼具有優異的力學特性、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，廣泛應用于化學品運輸、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過加熱熔化和冷卻結晶的非平衡凝固過程，該過程是一個復雜的化學冶金過程。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，避免熔合區和熱影響區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，國內外學者對雙相不銹鋼的焊接性能進行了大量研究，但是系統地分析雙相不銹鋼焊接過程的文獻較少。作者綜述了雙相不銹鋼焊接性能的研究進展，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的焊接缺陷，為后續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，因此具有更優良的焊接性能。雙相不銹鋼的焊接方法除了常規的惰性氣體保護電弧焊(TIG)、熔化極惰性氣體保護焊(MIG)、熔化極活性氣體保護電弧焊(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、雙弧焊接法以及復合型焊接方法等。通過改良和創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，發現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，將雙弧焊技術應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量分數3% NaCl溶液中的腐蝕速率，并且可以通過調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行焊接，發現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，在質量分數10%草酸溶液中接頭晶界處產生的點蝕數量減少，這是因為在焊接過程中硅與氧氣反應生成的SiO2在晶界處不斷聚集，從而減少了晶界點蝕的發生。張玥[4]研究發現，分別采用激光焊接法和等離子焊接工藝對雙相不銹鋼進行焊接后，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，導致該接頭的強度略低于激光束焊接接頭的。BAGHDADCHI等[5]研究發現，采用純氮保護氣體焊與激光焊相結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)保護技術對雙相不銹鋼進行焊接，發現：當同時使用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對雙相不銹鋼進行堆焊試驗，發現所得焊縫均勻光滑，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，隨著冷卻過程的進行，尺寸均勻的細小奧氏體在鐵素體晶內呈樹枝狀析出，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生延時性斷裂。WANG等[9]研究發現，攪拌摩擦焊接雙相不銹鋼接頭攪拌區的硬度和抗拉強度均高于母材，且延展性也優于母材。SANTOS等[10]采用熱絲TIG焊對雙相不銹鋼進行焊接，發現接頭焊縫成形良好，沒有明顯的缺陷，且熱絲TIG焊接速度是傳統TIG焊接速度的數倍，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、低溫熱影響區、高溫熱影響區[11-12]和熔合區[13]4個區域組成。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，依次發生包晶和共晶反應，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相發生固態相變得到。根據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板條的形態向鐵素體晶內生長，生成魏氏奧氏體[17]；若冷卻速率較慢，過冷度較大，則會在鐵素體晶內生成奧氏體，即晶內奧氏體。由于凝固過程是非平衡過程，因此δ相向奧氏體相的轉變是不可能完全進行的，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，這也導致后生成的魏氏奧氏體和晶內奧氏體中的鉻、鉬含量均低于晶界奧氏體中的[18-19]。根據NORSOK M-601標準，雙相不銹鋼焊接接頭中奧氏體相的占比不應低于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變的鐵素體相再發生固態相變，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小，呈孿晶特征[20]，其結構仍為面心立方結構[21]，但是二次奧氏體更易在富鎳貧鉻鉬區域形核，導致焊縫局部耐腐蝕性能的降低[22]。

在焊接熱循環作用下，雙相不銹鋼焊接接頭整個熱影響區受到不同峰值溫度的作用。在低溫熱影響區，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，且與母材相比低溫熱影響區具有更優異的韌性[12]。WESTIN[23]研究發現,UNS S32205(S31803)、S32304等低合金雙相不銹鋼在低溫熱影響區不易發生Cr2N和σ相的析出。在峰值溫度超過固溶處理溫度的高溫熱影響區，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變成魏氏奧氏體，導致該區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，過量的鐵素體會導致鐵素體中氮元素含量過高，使得高溫熱影響區在冷卻過程中析出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造了條件。研究[25-26]表明，在熱影響區鐵素體會發生共析反應生成二次奧氏體和(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作用下易發生晶間腐蝕，這會引起焊縫金屬及母材力學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焊對S32101雙相不銹鋼進行焊接，并且采用雙環動電位再活化法評估晶間腐蝕敏感性，發現：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變，這在一定程度上削弱了雜質原子在晶界處的吸附和偏析，影響了晶界的穩定性，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電位活化技術研究了加鋯雙相不銹鋼的腐蝕行為，發現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，在純氬保護氣體中加入體積分數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的合金元素控制鐵素體的含量；選用低熱輸入的焊接工藝等。

3.2 點 蝕

點蝕是指在含Cl-的介質中焊接接頭表面鈍化膜發生局部破壞而產生小孔或小坑的腐蝕形式，是腐蝕區域內產生電化學反應的結果。由于在焊接過程中金屬發生不平衡相變，焊接接頭熔合區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先發生腐蝕形成點蝕孔[24，32-33]。在焊接接頭高溫熱影響區，氮在δ相中呈過飽和狀態，導致其點蝕程度更嚴重[34]。曹靜等[35]通過添加微量鈦元素來促進鐵素體在雙相不銹鋼中的形成，抑制富鉻相的產生，從而提高雙相不銹鋼的抗點蝕能力。YANG等[36]研究發現，經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]研究發現，UNS S32750雙相不銹鋼鎢極氣體保護電弧焊(GTAW)接頭獲得最優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 應力腐蝕

雙相不銹鋼的屈服強度較高，表面鈍化膜發生表面滑移而破壞所需的應力較大，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，導致接頭易發生應力腐蝕。

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

4 焊接缺陷

4.1 裂 紋

雙相不銹鋼焊接接頭最薄弱的區域是熔合線附近的高溫熱影響區[42-43]，這與該區域的相比例失衡和二次相的析出有關，在焊接過程中該區域中易產生裂紋。雙相不銹鋼焊接接頭的熱裂傾向較小，在應變不大于2%的條件下，其抗熱裂性能較優異；但是對于含銅的雙相不銹鋼，銅、磷與鐵會形成復雜的液態薄膜，從而增大雙相不銹鋼焊接接頭的熱裂傾向，或者當存在很高的應變時，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的雙相不銹鋼反應堆容器進行失效分析后發現：裂紋在熱影響區萌生，焊縫金屬出現沿晶開裂和少量穿晶開裂，焊縫組織中鐵素體占比為80%～90%；導致裂紋出現的原因是焊接工藝不合理，過快的冷卻速率導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。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的韌性影響很大；當奧氏體相占比小于30%時，氮化物越多，熱影響區的韌性越差。熱影響區的韌性受制于δ→γ轉變的程度及奧氏體相的形態，當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]研究發現，冷卻速率是影響雙相不銹鋼相變和熱應力的關鍵因素，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生的σ脆性相；另一種是由鐵素體共析反應形成的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]研究發現：對2205雙相不銹鋼鎢極氬弧焊接頭進行退火處理后，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相的數量減少。BADJI等[51]研究發現，預先固溶處理后2205雙相不銹鋼鎢極氬弧焊接頭中的σ相在δ/γ相界和δ晶粒內析出，同時提高固溶溫度可延遲σ相的析出。WANG等[52]研究發現，銫的加入加速了δ晶粒形核，細化了凝固組織，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，導致焊接接頭出現475 ℃脆化現象，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 ℃脆化現象。

5 結束語

雙相不銹鋼結合了奧氏體鋼和鐵素體鋼的優點，具有良好的焊接性能、耐腐蝕性能、耐磨性能以及優良的力學性能。雖然國內外對雙相不銹鋼的焊接性能進行了大量的研究，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生，如何抑制有害相的析出以及相關機理分析都是需要進一步解決的問題。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用到雙相不銹鋼焊接中；改進傳統焊接方法，在原有焊接方法基礎上進行2種或者多種焊接方法融合；優化焊接工藝，保證熔合比的穩定，避免出現成分偏析、晶粒粗大、二次相析出、熱影響區奧氏體含量不足等現象；研究二次相的析出機理以及奧氏體形態的控制，以獲得性能優異的雙相不銹鋼焊接接頭。