熱處理對復(fù)合板焊接接頭中316L不銹鋼焊縫組織及耐蝕性的影響

, , ,,杜楠,

(1. 中國石油塔里木油田，庫爾勒 841000； 2. 沈陽中科腐蝕控制工程技術(shù)中心，沈陽 110016)

由碳鋼與奧氏體不銹鋼構(gòu)成的復(fù)合材料(復(fù)合管/板)有效結(jié)合了不銹鋼的耐蝕性和碳鋼的低成本優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于核電站設(shè)備、蒸汽發(fā)電廠及石油化工行業(yè)中[1]。焊接是該復(fù)合材料常用的加工方式。由于焊接接頭的成分、組織，應(yīng)力狀態(tài)相對于母材發(fā)生了明顯改變，因此其耐蝕性也明顯降低，而焊接接頭的耐蝕性決定了復(fù)合材料的耐蝕性和設(shè)備的使用壽命。通常情況下，復(fù)合材料焊接后，要對焊縫進(jìn)行一次去應(yīng)力熱處理；此外，如存在焊接缺陷，要對焊縫進(jìn)行補(bǔ)焊修復(fù)及與二次熱處理(處理工藝與去應(yīng)力熱處理工藝相同)。如果熱處理工藝選擇不當(dāng)，極易使奧氏體不銹鋼產(chǎn)生敏化，導(dǎo)致晶間腐蝕及應(yīng)力腐蝕開裂，從而嚴(yán)重降低了材料的耐蝕性，給設(shè)備的安全使用帶來隱患[2]。因此，研究熱處理工藝對焊接接頭組織成分和耐蝕性的影響是十分必要的。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣制備

試驗(yàn)材料為由Q345碳鋼和316L不銹鋼組成的復(fù)合板，按表1所示工藝對其進(jìn)行焊接。為模擬實(shí)際加工過程中復(fù)合板焊接接頭的一次熱處理和修復(fù)過程中的二次熱處理，分別對焊接接頭試樣進(jìn)行了一次熱處理，二次熱處理，熱處理工藝參數(shù)如圖1

表1 復(fù)合板的焊接工藝參數(shù)Tab. 1 Parameters of welding process for composite plate

圖1 復(fù)合板焊接接頭的熱處理工藝Fig. 1 Process of heat treatment for welded joint of composite plate

所示。從復(fù)合板焊接接頭處，采用線切割方法將316L不銹鋼焊縫區(qū)從母材上分離出來，然后依據(jù)GB/T 4334-2008《金屬和合金的腐蝕 不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法》、GB/T 20972.3-2008《石油天然氣工業(yè)油氣開采中用于含硫化氫環(huán)境的材料 第3部分 抗開裂耐蝕合金和其他合金》標(biāo)準(zhǔn)，制備金相試樣和腐蝕試樣。

1.2 組織觀察與腐蝕性能評價(jià)

為了檢驗(yàn)不銹鋼的晶間腐蝕敏感性，根據(jù)GB/T 4334-2008標(biāo)準(zhǔn)中的硫酸-硫酸銅方法對不同方式熱處理后316L不銹鋼焊縫進(jìn)行了晶間腐蝕試驗(yàn)。晶間腐蝕試驗(yàn)中，采用5 mm壓頭對腐蝕試樣進(jìn)行180°彎曲。

按照GB/T 20972.3-2008標(biāo)準(zhǔn)，對不同方式熱處理后316L不銹鋼焊縫進(jìn)行應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)。應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)中采取4點(diǎn)彎梁試驗(yàn)方法，試樣尺寸為120 mm×20 mm×3 mm，試驗(yàn)時(shí)間為720 h。

采用ZEISS-Axio Observer A1m型光學(xué)顯微鏡對不同方式熱處理后316L不銹鋼焊縫的組織、晶間腐蝕試驗(yàn)和應(yīng)力腐蝕開裂試驗(yàn)后試樣的腐蝕形貌進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱處理對316L不銹鋼焊縫組織的影響

由圖2(a)可以看出：相對于316L不銹鋼板單一的奧氏體組織，未經(jīng)熱處理的316L不銹鋼焊縫主要由奧氏體和鐵素體兩相構(gòu)成；灰白色枝晶為奧氏體基體，晶粒尺寸大小均勻，在10～20 μm，不存在軋制板材組織中明顯的晶粒取向；黑灰色的鐵素體以非連續(xù)網(wǎng)狀分布在奧氏體枝晶間，呈現(xiàn)出典型的316L不銹鋼的焊縫組織特征，母材與焊縫組織差異明顯。

由圖2(b)可以看出：相對于未熱處理的316L不銹鋼焊縫組織，一次處理后焊縫組織沒有明顯變化，仍由奧氏體+條狀鐵素體構(gòu)成，晶粒尺寸和分布也與未熱處理的316L不銹鋼焊縫相似。

由圖2(c)可以看出：經(jīng)過二次熱處理后，316L不銹鋼焊縫的組織主要是奧氏體+條狀鐵素體，與未熱處理和一次熱處理后的相似，但是奧氏體晶界處有大量的黑色碳化物生成。這些碳化物主要是Cr23C6[3-4]。

由以上試驗(yàn)可知：316L不銹鋼焊縫經(jīng)二次熱處理后，在奧氏體晶界析出了大量黑色碳化物Cr23C6。這些碳化物的形成將使奧氏體晶界的鉻元素含量減低，形成晶界貧鉻區(qū)，貧鉻區(qū)的形成是316L不銹鋼局部腐蝕加重的主要原因之一[5-6]。

(a) 未熱處理 (b) 一次熱處理 (c) 二次熱處理 圖2 復(fù)合板焊接接頭處316L不銹鋼焊縫的顯微組織Fig. 2 Microstructure of 316L stainless steel weld in the welded joint of composite plate: (a) without heat treatment; (b) heat treatment for once; (c) heat treatment for twice

2.2 熱處理對316L不銹鋼焊縫耐蝕性的影響

2.2.1 晶間腐蝕

由圖3可以看出：晶間腐蝕試驗(yàn)后，未熱處理和一次熱處理的316L不銹鋼焊縫表面均未出現(xiàn)裂紋，而二次熱處理的316L不銹鋼焊縫表面出現(xiàn)了多處1～4 mm寬的裂紋。由晶間腐蝕試驗(yàn)后316L不銹鋼焊縫的腐蝕形貌可見，二次熱處理增加了316L不銹鋼焊縫的晶間腐蝕傾向。

(a) 未熱處理 (b) 一次熱處理 (c) 二次熱處理 圖3 晶間腐蝕試驗(yàn)后316L不銹鋼焊縫表面的腐蝕形貌(10×)Fig. 3 Corrosion morphology of 316L stainless steel weld surface after intergranular corrosion test: (a) without heat treatment; (b) heat treatment for once; (c) heat treatment for twice

2.2.2 應(yīng)力腐蝕

由圖4可以看出：應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)后，未熱處理的316L不銹鋼焊縫表面出現(xiàn)輕微腐蝕，無應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象；一次熱處理的316L不銹鋼焊縫表面雖然有裂紋存在，但裂紋平整，無枝狀延展，邊緣無腐蝕產(chǎn)物，呈現(xiàn)非應(yīng)力腐蝕特征；二次熱處理的316L不銹鋼焊縫表面腐蝕嚴(yán)重，表面有交錯(cuò)裂紋存在，局部裂紋處可見腐蝕產(chǎn)物，存在應(yīng)力腐蝕斷裂?？梢?，二次熱處理增加了316L不銹鋼焊縫的應(yīng)力腐蝕開裂傾向。

(a) 未熱處理 (b) 一次熱處理 (c) 二次熱處理 圖4 應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)后316L不銹鋼焊縫表面的腐蝕形貌(40×)Fig. 4 Corrosion morphology of 316L stainless steel weld surface after stress corrosion test: (a) without heat treatment; (b) heat treatment for once; (c) heat treatment for twice

2.3 討論

奧氏體不銹鋼在450～850 ℃時(shí)，會在奧氏體晶界析出Cr23C6，產(chǎn)生貧鉻區(qū)，降低腐蝕產(chǎn)物膜的保護(hù)性能，造成奧氏體不銹鋼的局部腐蝕[7-8]。根據(jù)腐蝕介質(zhì)和應(yīng)力條件的不同，奧氏體不銹鋼表現(xiàn)為晶間腐蝕，點(diǎn)蝕，應(yīng)力腐蝕開裂。因此，長期高溫導(dǎo)致的貧鉻區(qū)是發(fā)生上述腐蝕的根本原因。圖5給出加熱溫度、保溫時(shí)間與晶間腐蝕(也可以理解為貧鉻區(qū))的相互關(guān)系[7]，可見適當(dāng)?shù)臏囟群统渥銜r(shí)間分別是產(chǎn)生貧鉻區(qū)的熱力學(xué)條件和動力學(xué)條件。

圖5 加熱溫度和保溫時(shí)間對晶間腐蝕的影響Fig. 5 Effects of heating temperature and heating time on intergranular corrosion

本試驗(yàn)采用的熱處理保溫溫度約為600 ℃，正好處450～850 ℃的“危險(xiǎn)溫度區(qū)間”，滿足了貧鉻區(qū)產(chǎn)生的熱力學(xué)條件，如果獲得充足的保溫時(shí)間以滿足動力學(xué)條件，不銹鋼焊縫將產(chǎn)生貧鉻區(qū)。顯微組織觀察表明，經(jīng)過二次熱處理的316L不銹鋼焊縫在其奧氏體晶界出現(xiàn)了大量析出的Cr23C6，造成了晶間貧鉻區(qū)，使這一區(qū)域的Cr2O3腐蝕產(chǎn)物膜的保護(hù)性能下降[9-13]。因此，腐蝕試驗(yàn)中，二次熱處理的316L不銹鋼焊縫表現(xiàn)出更大的晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂的趨勢。反之，當(dāng)試驗(yàn)僅具備貧鉻區(qū)產(chǎn)生的熱力學(xué)條件而不具備相應(yīng)的動力學(xué)條件，即沒有充足的保溫時(shí)間時(shí)，碳原子和鉻原子不能充分?jǐn)U散，不銹鋼焊縫中不會產(chǎn)生貧鉻區(qū)。腐蝕試驗(yàn)中，一次熱處理的316L不銹鋼焊縫微觀組織與未熱處理的沒有明顯的變化，沒有出現(xiàn)貧鉻區(qū)，發(fā)生晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂的趨勢相對較小。綜上，在敏化溫度區(qū)間內(nèi)對316L不銹鋼焊縫進(jìn)行熱處理將增加晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂的風(fēng)險(xiǎn)，但合理控制熱處理時(shí)間可以將這一風(fēng)險(xiǎn)控制到最低程度。

3 結(jié)論

(1) 經(jīng)一次熱處理的316L不銹鋼焊縫組織與未熱處理的沒有明顯區(qū)別，經(jīng)二次熱處理的316L不銹鋼焊縫在其奧氏體晶界處有Cr23C6析出，并形成了貧鉻區(qū)。

(2) 與一次熱處理的316L不銹鋼焊縫相比，經(jīng)過二次熱處理的316L不銹鋼焊縫，其晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂傾向增加。

(3) 在敏化溫度區(qū)間內(nèi)，對316L不銹鋼焊縫進(jìn)行熱處理時(shí)，保溫時(shí)間不宜超過1 h。

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