特超級(jí)雙相不銹鋼SAF2707攪拌摩擦焊接頭組織與性能研究.pdf

1、特超級(jí)雙相不銹鋼(Hyper Duplex Stainless Steel,簡(jiǎn)稱HDSS)作為第四代雙相不銹鋼，具有比現(xiàn)有的超級(jí)雙相不銹鋼更加優(yōu)異的力學(xué)性能和耐蝕性能，點(diǎn)蝕當(dāng)量接近50，服役溫度接近90℃，此外屈服強(qiáng)度值可以達(dá)到800MPa，被廣泛應(yīng)用于深海石油和天然氣開(kāi)采領(lǐng)域。同時(shí)，作為一種結(jié)構(gòu)材料，焊接性的優(yōu)異與否決定了其能否在工程領(lǐng)域的推廣。HDSS是雙相不銹鋼的發(fā)展延伸物，其在熔焊過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)雙相鋼熔焊過(guò)程中常見(jiàn)的問(wèn)題，加上自

2、身高合金化容易析出有害相，這些問(wèn)題制約了其優(yōu)異性能的實(shí)現(xiàn)。攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding,簡(jiǎn)稱FSW）作為一種創(chuàng)新型焊接技術(shù)——固相連接，具有焊接峰值溫度低、冷速快和適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，近幾年在低合金鋼和不銹鋼領(lǐng)域得到了大規(guī)模推廣，有效地解決了不銹鋼特別是雙相鋼熔焊過(guò)程中的缺點(diǎn)，其在雙相不銹鋼焊接過(guò)程中展現(xiàn)了很大的潛力。因此，本文將開(kāi)展HDSS的攪拌摩擦焊試驗(yàn)，研究不同焊接工藝對(duì)焊接件性能的影響，旨在為HDSS的工程

3、應(yīng)用推廣提供一個(gè)極具潛力的焊接方法。
　　FSW過(guò)程中，工藝參數(shù)的選取為固定的行進(jìn)速度υ=100mm·min-1，及四個(gè)不同的攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度，分別為ω=200rpm，300rpm，400rpm和500rpm。利用金相顯微鏡（OM）、掃描電鏡（SEM）、X-ray衍射儀（XRD）及電子背散衍射儀(EBSD)，分析和研究對(duì)接接頭微區(qū)組織變化及析出相情況。利用顯微硬度測(cè)試和拉伸測(cè)試來(lái)評(píng)價(jià)對(duì)接接頭焊接件力學(xué)性能，利用動(dòng)電位極化曲線及阻抗譜

4、測(cè)試來(lái)評(píng)價(jià)FSW接頭腐蝕性能。通過(guò)對(duì)焊接件顯微組織變化分析、力學(xué)性能分析和腐蝕性能分析，來(lái)達(dá)到工藝的最優(yōu)化設(shè)計(jì)和焊接性的深入了解，探討FSW焊接HDSS的適用性。其主要結(jié)論如下：
　　不同旋轉(zhuǎn)速度下對(duì)接接頭的焊接件均有少量變形，焊接接頭表面沒(méi)有出現(xiàn)明顯的溝槽狀缺陷，有少量飛邊。但是，與其他旋轉(zhuǎn)速度下平整光滑表面相比，200rpm焊縫表面有些部位波峰之間填充不足、成形性差。焊接接頭截面宏觀形貌觀察表明，對(duì)接接頭可以分為三個(gè)區(qū)域：焊核

5、（SZ），熱機(jī)影響區(qū)（TMAZ）及母材（BM），沒(méi)有明顯的熱影響區(qū)（HAZ）。焊核區(qū)域位于FSW對(duì)接接頭中心部分，兩相組織發(fā)生了明顯的細(xì)化。但是，整個(gè)焊核區(qū)域兩相晶粒尺寸表現(xiàn)出了非均質(zhì)性。熱機(jī)影響區(qū)分布在SZ區(qū)外側(cè)很窄的范圍，依據(jù)焊接過(guò)程中攪拌針兩側(cè)熱塑性材料流變行為的不同，分為前進(jìn)側(cè)TMAZ和返回側(cè)TMAZ。焊核區(qū)EBSD分析表明，焊核區(qū)兩相組織發(fā)生細(xì)化的原因是焊核區(qū)發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，奧氏體相晶粒細(xì)化的程度要大于鐵素體。焊根底部顯微組

6、織觀察表明，200rpm和300rpm焊根底部出現(xiàn)了一定量的析出相，且200rpm焊根底面存在“假象連接”。四個(gè)旋轉(zhuǎn)速度下，截面連接致密，沒(méi)有出現(xiàn)空洞和內(nèi)部缺陷。
　　對(duì)接接頭的硬度值要高于母材，硬度最大值位于焊核，且隨著轉(zhuǎn)速值降低，接頭平均硬度值增大。單個(gè)轉(zhuǎn)速下，從母材到焊核區(qū)，硬度值逐漸增大，變化最大部分出現(xiàn)在熱機(jī)影響區(qū)。200rpm和300rpm工藝下焊接件都斷裂在焊核，400rpm和500rpm斷裂在靠近熱機(jī)影響區(qū)的母材區(qū)

7、域。除200rpm以外，焊接件的強(qiáng)度指標(biāo)要大于母材。焊接件與母材相比力學(xué)性能的變化表明，焊接接頭與母材是高強(qiáng)匹配。宏觀斷口掃描電鏡研究發(fā)現(xiàn)，200rpm斷口為脆性斷口，其他焊接工藝下斷口都由大小不一的韌窩構(gòu)成。
　　借助動(dòng)電位極化曲線和阻抗譜來(lái)評(píng)定FSW接頭的耐蝕性能，發(fā)現(xiàn)除200rpm外，焊核表面耐蝕性均能達(dá)到或者優(yōu)于母材的耐蝕性能，且隨著攪拌速度降低，焊核表面耐蝕性能更加優(yōu)異。200rpm焊核表面顯微組織研究發(fā)現(xiàn)，由于焊接熱輸