激光熱處理對S32101修復區組織和性能的影響

宋曠達， 孫宏偉， 杜嫻， 朱加雷， 張本順， 劉超， 焦向東

(1.北京石油化工學院，北京102617；2.江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222000；3.陸軍裝甲兵學院,機械產品再制造國家工程研究中心，北京100072)

0 前言

雙相不銹鋼結合了奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的性能優點，具有優異的耐晶間腐蝕、耐點蝕和耐氯化物應力腐蝕性能，同時也賦予了其優良的強韌性、焊接性，目前被廣泛服役于海洋工程、船舶、核電和石油化工等領域，S32101雙相不銹鋼的開發成為雙相不銹鋼領域新的研究路徑[1-3]。

S32101雙相鋼焊接時不可避免地要經歷高溫循環，處理不當很容易生成沉淀相，使相比例失衡，接頭性能下降，需通過合適的焊后熱處理予以改善。Zhang 等人[4]研究了不同溫度下短時間熱處理對雙相不銹鋼焊縫組織演變和點蝕行為的影響，結果表明,熱影響區鐵素體相含量超過奧氏體相，易受點蝕侵蝕；經短時間熱處理后，熱影響區過度鐵素體化現象明顯緩解，在1 080 ℃時，焊縫的抗點蝕性能最高。Zhang等人[5]模擬焊接接頭，對不銹鋼進行惡化處理，將3種雙相不銹鋼奧氏體含量降低后，利用激光對惡化后的雙相不銹鋼進行表面熱處理，結果表明,激光熱處理對焊接接頭的奧氏體含量和耐蝕性有很好的恢復作用。汪海濤等人[6]采用快速中頻感應加熱和控制冷卻的熱處理方法，有效地調整了雙相不銹鋼激光焊接頭的雙相比例，得到了具有良好的力學性能的焊接接頭。叢發敏等人[7]采用不同溫度對S31803雙相不銹鋼焊接接頭進行固溶處理，發現焊接接頭經過固溶處理后，奧氏體所占比例增大，焊縫上下層的硬度趨于接近，焊接接頭耐腐蝕性能得到了提高，1 050 ℃固溶處理后耐腐蝕性能最佳。李添祺等人[8]采用不同溫度對2205雙相不銹鋼進行固溶處理，發現經過1 050 ℃固溶處理后的焊接接頭析出相和顆粒物消失，奧氏體組織含量提高，韌性增加，硬度降低。朱杰等人[9]研究了固溶處理對雙相不銹鋼組織和耐腐蝕性能的影響，結果表明，隨著固溶時間的延長，雙相不銹鋼中鐵素體含量增加，奧氏體含量減少；隨固溶溫度的增加，雙相不銹鋼耐應力腐蝕性能由好變差，在 1 120 ℃固溶 4 h 時，耐應力腐蝕性能最佳。

激光表面處理技術作為表面工程中一個十分活躍的新興領域[10]，不同于固溶處理的等溫高溫轉變，而是在激光源相互作用體積內的每個點迅速加熱，然后熱量傳導到周圍材料而冷卻。激光熱處理充分利用激光加熱精度高，熱輸入量低和易于實現自動化的優點，是一項能夠滿足特殊要求的加熱方法[11-12]。文中通過對S32101雙相不銹鋼修復區進行不同功率的激光熱處理，探討了激光熱處理對S32101修復區組織和性能的影響，為制定S32101雙相不銹鋼焊接和焊后熱處理工藝提供了參考。

1 試驗材料及方法

1.1試驗材料

試驗采用S32101雙相不銹鋼板和ER2209不銹鋼焊絲，化學成分見表1和表2。板材尺寸為400 mm×200 mm×13 mm，所開U形坡口示意圖如圖1所示。

表1 S32101雙相不銹鋼化學成分(質量分數，%)

表2 ER2209不銹鋼焊絲化學成分(質量分數，%)

圖1 U形坡口示意圖

1.2焊接工藝

采用激光填絲焊對S32101雙相不銹鋼板進行焊接修復，光纖激光器的最大輸出功率為6 kW，輸出波長為 1 080 nm；焊接過程采用側面保護方式，保護氣體為99.99%氮氣，氣體流量為30 L/min。通過正交試驗、單道單因素變量試驗，獲得焊縫成形良好的焊接工藝參數見表3。

表3 激光填絲焊工藝參數

1.3熱處理工藝

分別用0 kW，1 kW，2 kW，3 kW，4 kW激光功率對相同工藝參數焊接的5條焊縫進行焊后激光熱處理，具體工藝參數見表4。

表4 激光熱處理工藝參數

1.4組織和性能檢測

將不同激光功率熱處理所得修復區采用線切割加工成20 mm×15 mm×15 mm的試樣，經打磨、拋光、腐蝕后，用金相顯微鏡觀察，對比分析組織中鐵素體和奧氏體兩相比例和分布形態；使用顯微硬度計測量修復區的顯微硬度，所加載荷為4.9 N，作用時間為10 s，測定方法為：由焊縫中心向母材方向進行縱向取點，每隔0.2 mm取一個點，顯微硬度測試示意圖如圖2所示；對處理試樣進行全焊縫拉伸試驗，拉伸試樣示意圖如圖3所示；用掃描電鏡觀察試樣的拉伸斷口；對處理試樣進行電化學腐蝕試驗，采用VersaSTAT 3F電化學工作站，以飽和甘汞電極為參照電極，鉑電極為輔助電極，掃描速度0.167 mV/s，測定了3.5%NaCl溶液中不同接頭的極化曲線。

圖2 顯微硬度測試示意圖

圖3 拉伸試樣示意圖

2 試驗結果及分析

2.1顯微組織

不同熱處理條件下 S32101 雙相不銹鋼修復區域的顯微組織如圖4所示，圖中深色區域為鐵素體(α)組織，淺色區域為奧氏體(γ)組織。通過 Image Pro Plus6.0 軟件，測算白色奧氏體相所占的比例，奧氏體著色效果圖如圖4f所示，經過著色統計測算，0 kW，1 kW，2 kW，3 kW，4 kW激光熱處理后修復區奧氏體所占比例分別為45.5%，47.9%，52.3%，55.9%，57.3%。由圖4a可以看出，焊后未經激光熱處理，其奧氏體由羽毛狀魏氏奧氏體(WA)、長條狀晶界奧氏體(GBA)與小片狀晶內奧氏體(IGA)組成。由圖4b可以看出，經過1 kW功率激光再熱處理后，大量細小奧氏體晶粒從鐵素體邊界析出，由圖4c，圖4d可以看出，經2 kW，3 kW功率激光熱處理后，焊縫處奧氏體以羽毛狀魏氏奧氏體、小片狀晶內奧氏體和不均勻奧氏體晶粒為主，羽毛狀魏氏奧氏體區域面積較大，除此之外，奧氏體分布縱橫交錯，更加不規律。由圖4e可以看出，當激光熱處理功率增加到4 kW，其奧氏體晶粒細化更加明顯，個別區域不均勻晶粒析出較多，所占區域面積較大且成片分布，表明隨著激光熱處理功率的增加，奧氏體晶粒明顯細化且奧氏體含量有一定的增加，原因是激光再熱處理可實現瞬時加熱，冷卻速度快，過冷度大，對不均勻晶粒的產生起到一定的促進作用，使晶粒更加細小、數量增加，且焊接熱輸入與激光功率有關，焊接熱輸入隨著激光功率的增加而得到了一定的提高，熱輸入的提高可以增加奧氏體析出的保溫時間，使奧氏體轉變充分，增加了修復區中奧氏體的含量。

圖4 不同功率激光熱處理條件下修復區的顯微組織

2.2顯微硬度

不同激光功率熱處理修復區的顯微硬度測量結果如圖5所示，由圖5可以看出，焊縫區硬度最高，熱影響區略高于母材，原因一是焊縫中心在焊接時加入了一定的合金元素，大量合金元素冷卻凝固時堆積在焊縫中心，提高了焊縫的硬度；二是與母材相比，焊縫晶粒細化明顯，奧氏體晶粒尺寸小于母材，因此焊縫區域硬度最高。熱影響區在焊接過程只是受熱產生熔化，并無合金元素的加入，所以熱影響區是修復區較為薄弱的區域，但與母材相比熱影響區經過激光加熱處理，對晶粒細化、兩相平衡仍有一定的幫助，所以熱影響區硬度仍略高于母材。與未經激光熱處理的焊縫相比，經激光熱處理后，焊縫區顯微硬度有所下降，隨激光熱處理功率的繼續提高，焊縫區硬度值無明顯規律性變化，原因是在S32101雙相不銹鋼中，鐵素體硬度大于奧氏體，經激光熱處理后，焊縫區鐵素體向奧氏體轉變，奧氏體含量有所增加，導致整體硬度有所下降，但與母材相比其晶粒細化明顯，所以硬度仍高于母材。

圖5 不同功率激光熱處理條件下修復區的顯微硬度

2.3拉伸性能

不同激光功率熱處理修復區拉伸測試結果見表5。母材的抗拉強度均為740 MPa，屈服強度約為590 MPa，從表中數據可以看出，修復區的力學性能較為優異，室溫抗拉強度達到800 MPa以上，最低屈服強度達到686 MPa，抗拉強度、屈服強度均優于母材，原因是焊接過程中熔池的Cr，Ni等原子在高溫下將晶格中的Fe原子置換，形成了置換固溶體，此時晶格畸變，一定程度上阻礙了位錯運動，提高了焊縫處的強度[13]。激光功率在0～3 kW時，隨著激光熱處理功率的升高，抗拉強度、屈服強度有所提高，原因一是隨著熱處理功率的升高，促進了晶粒細化，使其拉伸力學性能有所提高，原因二是在修復區處鐵素體相與奧氏體相交錯無序布置，這種結構在發生位錯時會產生更大的滑移阻力，從而使接頭強化。激光功率達到4 kW時，奧氏體含量的持續增加影響了接頭的抗拉強度，盡管晶粒得到細化，但當奧氏體含量較高時，接頭抗拉強度會有所下降[14]。

表5 不同功率的激光熱處理條件下修復區拉伸性能測試結果

不同功率激光熱處理條件下修復區的拉伸斷口形貌如圖6所示，由圖6可以看出，5種試件均為典型的韌性斷裂形貌，斷面為許多細小的凹坑并夾雜少量孔洞，凹坑尺寸均勻，為典型的等軸狀韌窩，表明激光熱處理后修復區仍有良好的韌性。

圖6 不同功率激光熱處理條件下修復區的拉伸斷口形貌

2.4耐腐蝕性能分析

不同激光功率激光熱處理修復區的極化曲線如圖7所示，通過測量TAFEL極化曲線比較5種情況下修復區的耐腐蝕性能，金屬的耐腐蝕性能可以用腐蝕電流密度和自腐蝕電位來表示，自腐蝕電位反映腐蝕的難易程度，腐蝕電流密度反映腐蝕速度[7]。自腐蝕電位和腐蝕電流密度分析結果見表 6。結果表明，經1 kW，2 kW，3 kW，4 kW激光功率的熱處理后，其自腐蝕電位有所提高，自腐蝕電流密度有所降低，表明腐蝕速率有所下降，耐腐蝕性能有所提高。主要原因一是由于熱處理后的晶粒細化提高了修復區的耐腐蝕性，二是點蝕發生在鐵素體和奧氏體的相界面處并向鐵素體內生長[15]，相比鐵素體，奧氏體具有較好的耐腐蝕能力，所以奧氏體含量的增多也是耐腐蝕能力提高的主要原因之一。

圖7 不同功率激光熱處理條件下修復區的極化曲線

表6 電化學腐蝕分析結果

3 結論

(1)激光熱處理后修復區內大量奧氏體從鐵素體邊界析出，奧氏體晶粒明顯細化，奧氏體含量有一定的增加，且奧氏體分布縱橫交錯，更加不規律。

(2)激光熱處理后修復區硬度有所降低，但仍高于母材，原因是焊縫區鐵素體向奧氏體轉變，奧氏體含量有所增加，導致整體硬度有所下降，但與母材相比其晶粒得到細化，所以硬度仍高于母材。

(3)激光熱處理后修復區抗拉強度、屈服強度有所提高，主要原因是晶粒細化，鐵素體與奧氏體相交錯無序分布導致了接頭強化。在激光功率繼續提高到4 kW時，抗拉強度有所降低，主要原因是奧氏體含量的持續增加導致抗拉強度下降。5種試件均為典型的韌性斷裂形貌，表明激光熱處理后修復區仍有良好的韌性。

(4)激光熱處理后修復區耐腐蝕性能有所提高，晶粒細化、奧氏體含量的增多是其耐腐蝕性能提高的主要原因。