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2205 双相不锈钢薄板 TIG 焊接接头耐点蚀性能研究(二)
来源: | 作者:Emma | 发布时间: 2024-06-11 | 263 次浏览 | 分享到:



   2.2 动电位极化实验

   实验测试了2种不同成分的母材和焊接接头(WJ)的极化曲线,如图 3 所示。表3为各样品测得的点蚀电位和再钝化电位。

   图 4(a)为5.1Ni16N 母材的动电位测试结果,其点蚀电位102.5mV,图 4(b)为 5.7Ni18N 母材的动电位 扫描结果,点蚀电位为88mV。结合金相结果分析, 由于两相成分的差异,5.7Ni18N 促进了高温铁素体向奥氏体相转变,使两相比例偏离平衡点,从而提高双相不锈钢整体的耐点蚀性能。但氮元素能极大提高奥氏体相耐点蚀性能。在回扫过程中, 两种成分的双相不锈钢回滞环较小,这说明母 材有很好的再钝化能力,在发生点蚀后,能阻止点蚀的进一步发展。图 4(c)为 5.1Ni16N 焊接 接头的动电位扫描结果,点蚀电位为 94.7mV, 图 4(d)为 5.7Ni18N 焊接接头,点蚀电位为199mV。5.7Ni18N 母材得到的焊接接头耐点蚀性能明显好于 5.1Ni16N,结合图 5 焊接接头点蚀形貌发现,点蚀全部发生在热影响区,且铁素体相被选择性侵蚀,由于热影响区奥氏体含量小于30%,导致在奥氏体内镍、氮等稳定化元素含量 增加,极大提高了奥氏体相的耐点蚀性能,铁素体含量超过70%,其内部铁素体稳定化元素减少, 耐点蚀性能下降,从而使铁素体发生选择性侵蚀。焊接接头在回扫过程中回滞环较大,说明焊接接 头在发生点蚀后,再钝化能力较弱,即使电位已经开始回扫,电流密度还在增大。表3中各试样再钝化电位显示,5.1Ni16N 的母材再钝化电位最高,说明该样品的再钝化能力较好,而焊接接头的再钝化电位远低于母材,这说明焊接接头的再钝化能力相比于母材较差。尽管从数值上看,焊缝的点蚀电位比母材要高,但通过对焊接接头的电化学实验样品的观察发现,母材并未发生点蚀, 这说明母材的耐点蚀性能强于焊缝热影响区,由于母材样品是单一的轧制态,而焊接接头样品包括母材-热影响区-焊缝区,二者的点蚀电位并不能直接对比。

   2.3 恒电位极化实验

   图5为2205双相不锈钢母材和焊缝的恒电 位测试结果。当低于临界点蚀温度时,电流密度很小,此时并未发生点蚀,而当温度接近临界点蚀温度时,曲线出现小幅波动,说明此时发生了亚稳态点蚀,而当温度超过临界点蚀温度后,电流密度迅速增大,此时样品表面发生稳定点蚀。

   5.7Ni18N含有较高的镍、氮含量,在焊接过程中可以促进奥氏体的形成,从而提高了焊缝的耐点蚀性能。母材为 5.1Ni16N 得到的焊接接头临界点蚀温度46℃,5.7Ni18N得到的焊接接头临界点蚀 温度为52℃,而母材的临界点蚀温度均为54℃, 其中5.1Ni16N母材临界点蚀温度略高。当达到临界点蚀温度后,焊接接头曲线的斜率要明显大于母材,这证明,焊接过程会使焊接接头的耐点蚀性能下降。

   2.4 FeCl3 溶液浸泡实验 

   对样品进行24h浸泡,根据腐蚀前后失重计算母材和焊接接头的腐蚀速率,实验结果如表4所示。结果表明焊接接头的腐蚀速率明显高于母材,试样宏观形貌如图6所示,“1”为点蚀形成 的细微点蚀坑,“2”为试验后超声波清洗对焊缝区表面造成的破坏。由于热影响区铁素体含量高,铁素体稳定化元素含量减少,其点蚀当量值 (PREN)减小,更容易受到侵蚀,因此点蚀首先发生在焊缝热影响区。当点蚀进行到一定程度, 由于焊缝区属于铸态组织,且组织粗大,因此点蚀开始向焊缝区扩展。尽管焊缝区表面完整,但内部已经造成严重腐蚀,焊缝区和热影响区是破坏最严重的区域。

   2.5 电子探针分析 

   对母材、焊缝热影响区及焊缝区的各相进行成分分析,其结果如表5所示。根据PREN理论,双相不锈钢耐点蚀性能主要取决于较弱相的耐点蚀性能,当两相PREN值越相近时,不锈钢表现出来的耐点蚀性能越好。PREN 计算公式如式(1)(2)所示,目前对于α相的PREN值没有争议,而对于γ相中N元素对点蚀当量值的影响,尚存争议。Heo-Young Ha 等人分析了不同 相比例的2205双相不锈钢材料,研究了不同x值与点蚀电位的关系,但并没有得出明确结论。

   J.W.Simmons 等人认为 x=30 时,点蚀当量同临界点蚀温度具有线性关系。M. Rosso 等人研究了退火和加工硬化两种工艺对耐点蚀性能的影响,认为x=16时,PREN 值同耐点蚀性能具有较好的对应性。文中分别取 x=16 和 x=30 分别计算焊接接头各区域的PREN值,结合电化学 实验结果分析N元素对PREN值的影响。当x值取16时。母材中γ相PREN值较低, 此时点蚀应优先发生在γ相上,然而电化学实验 中,点蚀优先发生在α相上,结合图5点蚀形貌 分析,当发生稳定点蚀后,母材点蚀坑内部表面光滑,未发现明显的选择性腐蚀,这说明母材中奥氏体和铁素体的PREN相当,其耐点蚀性能差别不大。所以x=16时,氮元素对PREN值的贡献被低估。当x=30时,两相PREN值相当,γ相PREN值略高,同电化学实验现象符合,因此x=30 更为合理。

PRENα=Cr+3.3Mo…………………………(1)

PRENγ=Cr+3.3Mo+xN-Mn…………………(2)

   2.6 点蚀形貌 

   图7为试样经动电位扫描后,扫描电镜下的点蚀形貌。图 7(a)为母材的点蚀形貌,可以看到,点蚀坑内相对光滑,没有明显的选择性腐蚀, 母材中两相的PREN值相近,因此两相的耐点蚀性能相近。图 7(b)点蚀坑出现在焊接接头的热 影响区,点蚀的形核和长大过程主要发生在铁素体相上,当扩散至铁素体与奥氏体相界时,点蚀扩散受到阻碍,对板条状组织进行能谱分析,发现这类板条状组织的钼等铁素体形成元素偏低, 而镍等奥氏体形成元素偏高,即这类板条状组织为奥氏体相,因此在原铁素体晶界和晶界内的板条状奥氏体保留了下来,根据PREN30值计算结果,热影响区铁素体PREN值为33,而奥氏体相PREN值为43,两相PREN值相差达到10, 铁素体为较弱相,因此铁素体被选择性腐蚀,从而在宏观表现出热影响区较差的耐点蚀性能。

   3 讨论

   提高镍、氮含量后,母材的耐点蚀性能有轻微下降,主要是因为奥氏体含量增多,通常认为奥氏体相含量在50%时,耐点蚀性能最好。因此对于5.7Ni18N 的2205双相不锈钢,应根据其相图重新制定固溶工艺,使母材铁素体 / 奥氏体比例为 1。在扫描电镜下观察到,焊接接头的点蚀主要发生在焊缝的热影响区,且选择性地侵蚀铁素体相,而当点蚀扩展到奥氏体相时,点蚀过程会受到阻碍。由于焊接时,焊接接头热影响区温度较低,冷却速度较快,导致铁素体向奥氏体转变不充分,使奥氏体和铁素体比例严重失调, 热影响区的铁素体含量通常可以达到70%以上, 铁素体内的钼、铬被稀释,而这两种元素是提高铁素体相抗点蚀性能的主要元素,因此热影响区的铁素体相在侵蚀性环境中,会受到选择性侵蚀。

   4 结论

   (1)采用TIG焊实现了1.2mm厚2205双相不锈钢焊接。结果表明,焊接接头质量合格,微观组织为铁素体和奥氏体的复相组织。由于材料本身的局限性,热影响区奥氏体偏低,耐点蚀性能较差,通过调整母材中合金元素含量,可在一定程度得到改善。焊接接头的薄弱环节在热影响区,点蚀优先在铁素体相形核并长大。 

   (2)通过调整钢的成分,可以一定程度上提高热影响区奥氏体含量,并较为明显改善 2205双相不锈钢的焊接接头的耐点蚀性能。 

   (3)焊接接头点蚀首先在热影响区的铁素体 相上形核,当点蚀发生到一定程度时,由热影响区点蚀坑底部向焊缝区扩展,从而对整个焊接接头造成破坏。