氮气氛焊后热处理对2205双相不锈钢焊接接头组织演变及腐蚀行为的影响

《Journal of Materials Research and Technology》：Effect of Nitrogen Atmosphere during Post-Weld Heat Treatment on Microstructure Evolution and Corrosion Behavior of 2205 Duplex Stainless Steel Welded Joint

　　

： 研究人员采用氮气作为保护气氛对2205双相不锈钢（DSS）焊接接头进行焊后热处理（PWHT）。为进行对比，研究人员在相同条件下对未经过热处理的同类焊接接头进行了表征。详细的显微组织检测（光学显微镜和扫描电子显微镜）表明，未经热处理的焊接样品（W样品）焊缝区（WZ）中存在两种类型的二次奥氏体析出物。在氮气气氛下进行焊后热处理后，焊缝区奥氏体晶粒周围出现了氮化物析出。显微组织研究显示，经过焊后热处理的样品在焊接接头的所有区域（母材、热影响区和焊缝区）中奥氏体的体积分数均有所增加。经热处理的样品母材和热影响区的点蚀抗力当量数（PREN）有所提升。母材和热影响区的塔菲尔（Tafel）和电化学阻抗谱（EIS）测试显示，经过后续焊后热处理的样品具有良好的耐腐蚀性和较低的腐蚀速率。母材的腐蚀速率在W样品和N样品中分别为2.56E-01 mm/y和1.78E-03 mm/y，而热影响区的腐蚀速率在W样品和N样品中分别为7.34E-04 mm/y和5.01E-04 mm/y。研究人员还注意到，二次奥氏体的析出比氮化物的析出表现出更高的稳定性，因为观察到未经热处理的W样品（1.70E-02 mm/y）的腐蚀速率低于N样品（2.52E-02 mm/y）。此外，尽管与含有焊缝区二次奥氏体和母材大量氮化物析出的W样品相比，N样品的焊缝区氮化物含量较高且母材氮化物极少，但在三个区域（母材、热影响区和焊缝区）结合测试时，W样品表现出了极快的腐蚀速率，而N样品则不然。

论文解读

2205双相不锈钢（DSS）因其优异的耐腐蚀性和高强度，被广泛应用于海洋工程、海底管道、核电工业、油气生产、海水淡化及精炼工业等严苛且高腐蚀性的环境中。这类不锈钢主要由铁素体（δ-F）和奥氏体（γ-A）两相组成，其中奥氏体含量的增加有助于提高耐腐蚀性，而铁素体含量的增加则有助于提升力学性能。镍（Ni）和氮（N）是奥氏体稳定元素，而钼（Mo）和铬（Cr）则是铁素体稳定元素。然而，在焊接过程中，多道次焊接会导致有害相的产生，如二次奥氏体（γ2）、χ相、σ相、碳化物（M23C6）或氮化物（CrN和Cr2N），这些有害相会破坏不锈钢的性能平衡，使其更容易受到腐蚀，尤其是点蚀往往从这些薄弱点开始萌生。

目前，焊接后铁素体和奥氏体的相比例在各区域（母材BM、热影响区HAZ、焊缝区WZ）会发生变化，其中热影响区因铁素体比例较高而成为最危险的薄弱环节。为了改善这一状况，工业界常采用高镍填充金属或焊接时使用氮气作为保护气体来增加奥氏体含量。然而，对于多道次焊接中产生的二次奥氏体如何去除，以及如何通过焊后热处理（PWHT）恢复相平衡，仍是亟待解决的工业难题。此外，以往研究表明，退火温度对有害相的析出有重要影响，低于1000°C退火会导致σ相析出从而降低耐蚀性，而1050°C至1100°C被认为是双相不锈钢的最佳退火温度区间。本研究正是在此背景下，探讨了使用氮气作为保护气体进行焊后热处理对焊接接头组织演变及腐蚀行为的恢复作用，并重点关注了二次奥氏体与氮化物之间的竞争性析出机制。

为了开展此项研究，研究人员采用了以下关键技术方法：首先，选用工业级S32205双相不锈钢热轧板，采用焊条电弧焊（SMAW）进行根部打底焊接，随后采用钨极气体保护焊（GTAW）进行填充和盖面焊接，形成多道次焊接接头。其次，将部分焊接试样置于管式炉中，在1050°C下保温25分钟进行焊后热处理，全程通入高纯度氮气作为保护气氛，随后迅速淬入水中冷却。接着，研究人员利用光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）观察母材、热影响区和焊缝区的显微组织形貌；通过ImageJ软件定量分析奥氏体的体积分数；利用能谱仪（EDS）测定各微区成分并计算点蚀抗力当量数（PREN=Cr+3.3%Mo+16%N）。最后，在3.5%氯化钠（NaCl）溶液中进行电化学阻抗谱（EIS）和动电位极化（Tafel）测试，分别评估各单一区域及整体接头的耐腐蚀性能。

在“焊接样品（W样品）的显微组织”研究中，研究人员发现母材由白色奥氏体和灰色铁素体基体组成，且在铁素体亚晶界处有黑色氮化物析出。热影响区内未发现有害相，而焊缝区则观察到了多种形态的奥氏体，包括晶界奥氏体（γ-GBA）、魏氏奥氏体（γ-WA）和晶间奥氏体（γ-IGA），同时存在晶内和晶间的二次奥氏体（γ2）。能谱分析显示，二次奥氏体中氮和镍含量较高，而铬和钼含量显著降低。表面轮廓承载曲线分析表明，焊缝区因奥氏体体积分数较高，其空隙率有所下降。

在“焊后热处理样品（N样品）的显微组织”研究中，经过氮气保护热处理后，母材、热影响区和焊缝区的奥氏体体积分数均有所增加。值得注意的是，在母材中刚开始形成的奥氏体周围以及焊缝区观察到了氮化物的析出。能谱分析证实，这些氮化物富含铬和氮，但钼含量极低。表面轮廓承载曲线显示，与W样品相比，N样品各区域的“开发区域”（exploitation zones）均有所增加，这同样归因于奥氏体体积分数的提高。

在“二次奥氏体与氮化物析出的关系”研究中，研究人员揭示了二者之间并非直接的转化关系，而是一种竞争与协作的协同关系，它们争夺相同的形成元素（N、Cr、Ni）。研究提出了多阶段析出机制模型：第一阶段是在奥氏体-铁素体界面处形成新的氮化物形核；第二阶段是氮化物向铁素体生长，吸收周围的铬并留下富镍区；第三阶段是由于多道次焊接的重热，导致富镍铁素体区生长出二次奥氏体；第四阶段是二次奥氏体开始生长，同时氮化物在奥氏体/二次奥氏体界面处溶解，释放出的氮转移到奥氏体中；最后，若再次重热，氮化物会在铁素体与二次奥氏体的新界面处重新析出。

在“氮气氛与淬火动力学对相稳定性和氮化物析出的影响”研究中，研究人员指出，尽管氮气分子本身很稳定，但在1050°C高温下，双相不锈钢中高含量的铬和锰作为强催化剂促进了氮的解离。原子态氮扩散进入合金表面，维持了较高的氮势。虽然Cr2N在1050°C热力学上不稳定，应发生溶解，但在冷却阶段发生的氮化物析出是一个动力学现象。这是由于热处理过程中氮含量极高的二次奥氏体发生溶解，导致铁素体晶粒内局部氮过饱和，加之氮气保护气氛促进了表面吸氮，在随后的水淬急冷过程中，过饱和的氮在高位错密度的焊缝区以极细小的“淬火氮化物”形式析出。

在“奥氏体体积分数测量”研究中，通过ImageJ软件对五张随机图像进行定量分析后发现，经过氮气保护热处理后，母材、热影响区和焊缝区的奥氏体体积分数均有显著提升，增幅分别达到12.6%、11%和4.3%。这表明氮气作为保护气体在焊后热处理中有效地起到了奥氏体稳定剂的作用。

在“点蚀抗力当量数（PREN）”研究中，基于能谱成分计算得出的PREN值显示，对于未经热处理的W样品，母材和焊缝区的铁素体PREN值高于奥氏体，这归因于铁素体中富集了更多的铬和钼。而在经过热处理的N样品中，所有区域的铁素体PREN值均高于奥氏体。从区域整体平均值来看，N样品在母材、热影响区和焊缝区的PREN均高于W样品，但焊缝区的增幅相对较小，这主要是由于该区域氮化物的析出消耗了铬和钼，从而降低了耐点蚀性能。

在“电化学测试（EIS和Tafel）”研究中，针对母材的测试结果表明，N样品的相位角最大值（-80.06度）高于W样品（-54.46度），且阻抗模量更大，容抗弧直径更宽。等效电路拟合数据显示N样品的极化电阻（Rp）远高于W样品，对应的腐蚀速率极低（1.78E-03 mm/y对2.56E-01 mm/y）。这归功于N样品较高的奥氏体体积分数和较均匀的相成分。针对热影响区的测试显示，虽然两者均未发现有害相且相位角接近，但N样品仍表现出略高的阻抗和较低的腐蚀速率（5.01E-04 mm/y对7.34E-04 mm/y），这同样得益于其较高的奥氏体含量和PREN值。然而，针对焊缝区的测试却出现了相反的结果：尽管N样品的奥氏体体积分数更高，但由于该区域析出了大量氮化物，导致其相位角减小、阻抗降低，腐蚀速率（2.52E-02 mm/y）反而高于W样品（1.70E-02 mm/y）。针对三个区域整体的测试进一步证实，由于W样品在母材中存在大量氮化物、焊缝区存在二次奥氏体且整体奥氏体含量低、PREN值低，其整体腐蚀速率极高（1.41E+01 mm/y），而N样品的整体腐蚀速率控制在较低水平（9.09E-02 mm/y）。

在“腐蚀机制”讨论中，研究人员指出双相不锈钢依赖钝化膜提供耐蚀性，钝化膜由富铬的内层阻挡层和富铁的外层多孔层组成。点蚀通常在耐蚀性最弱的区域萌生，包括氮溶解度较低的铁素体晶粒、两相界面的选择性溶解区以及氮化物析出点周围（由于贫铬效应）。电化学阻抗谱的等效电路分析也验证了这一点，低频响应反映了由有害相（如氮化物）引发的活性腐蚀坑内的局部电荷转移动力学和吸附过程。

结论部分总结如下：

使用氮气作为保护气氛进行焊后热处理，提高了母材、热影响区和焊缝区的奥氏体体积分数，进而提升了母材和热影响区的点蚀抗力当量数（PREN），但在焊缝区观察到了氮化物析出。N样品的奥氏体体积分数在母材、热影响区和焊缝区较W样品分别增加了12.6%、11%和4.3%。尽管热处理后焊缝区的奥氏体含量增加，但由于基体中铬和氮的贫化以及氮化铬的形成，破坏了化学成分的平衡，导致N样品在焊缝区的耐蚀性反而低于W样品；相比之下，W样品中析出的二次奥氏体比氮化物能为双相不锈钢提供更稳定的性能。氮气保护导致氮化物在母材中刚开始生长的奥氏体周围析出，但N样品在母材和热影响区表现出的高耐蚀性归因于其较高的奥氏体体积分数和PREN值，且W样品母材中存在大量氮化物析出。N样品母材和热影响区的PREN得到提升，但焊缝区的PREN下降了约4%，这与该区域显著的氮化物析出有关。母材腐蚀速率在W和N样品中分别为2.56E-01和1.78E-03 mm/y，热影响区分别为7.34E-04和5.01E-04 mm/y；二次奥氏体的析出比氮化物更稳定，表现为未热处理的W样品焊缝区腐蚀速率（1.70E-02 mm/y）低于N样品（2.52E-02 mm/y）。尽管N样品焊缝区氮化物含量高而母材氮化物极少，W样品则相反，但三区结合测试显示W样品整体腐蚀速率高达1.41E+01 mm/y，而N样品仅为9.09E-02 mm/y。最后，虽然在焊后热处理中使用氮气氛提高了母材和热影响区的奥氏体含量从而改善了耐蚀性，但焊缝区析出的氮化物带来了脆化风险，会降低该区域的力学性能和耐蚀性。因此，未来的工作可以考虑在焊后热处理中使用氩气和氮气的混合保护气氛，以减少氮化物沉积并进一步提高奥氏体体积比，从而获得更好的耐蚀性。