熱處理對復合板焊接接頭中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)成的復合材料(復合管/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合材料的耐蝕性和設(shè)備的使用壽命。通常情況下，復合材料焊接后，要對焊縫進行一次去應(yīng)力熱處理；此外，如存在焊接缺陷，要對焊縫進行補焊修復及與二次熱處理(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，極易使奧氏體不銹鋼產(chǎn)生敏化，導致晶間腐蝕及應(yīng)力腐蝕開裂，從而嚴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

1.1 試樣制備

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

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

圖1 復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》標準，制備金相試樣和腐蝕試樣。

1.2 組織觀察與腐蝕性能評價

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

按照GB/T 20972.3-2008標準，對不同方式熱處理后316L不銹鋼焊縫進行應(yīng)力腐蝕試驗。應(yīng)力腐蝕試驗中采取4點彎梁試驗方法，試樣尺寸為120 mm×20 mm×3 mm，試驗時間為720 h。

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

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重，表面有交錯裂紋存在，局部裂紋處可見腐蝕產(chǎn)物，存在應(yīng)力腐蝕斷裂。可見，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，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，點蝕，應(yīng)力腐蝕開裂。因此，長期高溫導致的貧鉻區(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?shù)臏囟群统渥銜r間分別是產(chǎn)生貧鉻區(qū)的熱力學條件和動力學條件。

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

本試驗采用的熱處理保溫溫度約為600 ℃，正好處450～850 ℃的“危險溫度區(qū)間”，滿足了貧鉻區(qū)產(chǎn)生的熱力學條件，如果獲得充足的保溫時間以滿足動力學條件，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)物膜的保護性能下降[9-13]。因此，腐蝕試驗中，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，當試驗僅具備貧鉻區(qū)產(chǎn)生的熱力學條件而不具備相應(yīng)的動力學條件，即沒有充足的保溫時間時，碳原子和鉻原子不能充分擴散，不銹鋼焊縫中不會產(chǎn)生貧鉻區(qū)。腐蝕試驗中，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不銹鋼焊縫進行熱處理將增加晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂的風險，但合理控制熱處理時間可以將這一風險控制到最低程度。

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不銹鋼焊縫進行熱處理時，保溫時間不宜超過1 h。

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