敏化双相不锈钢组织及腐蚀行为的研究

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双相不锈钢简称DSS(Duplex stainless steels),具有铁素体(α)、奥氏体(γ)两相结构,因此表现出良好的综合力学性能以及优异的耐腐蚀性能,在工业生产中被广泛使用,具有广阔的应用前景。双相不锈钢中的铁素体不仅可以显著提高材料耐应力腐蚀的能力,还可以减少材料在焊接过程中产生的裂纹,除此之外,α相对提高材料强度起着决定性作用。但是α相的存在也会给双相不锈钢带来诸多负面影响,当其在中高温敏化时,会析出σ相,大大降低材料的耐腐蚀性能。当DSS长期在温度较高且含有侵蚀性离子的环境中工作时,其内部微观结构会发生变化,在奥氏体-铁素体相界,以及晶界内部,会不可避免地产生一些富铬的有害二次析出相,例如:碳、氮化物、sigma(σ)相、chi(χ)相、二次奥氏体(γ2)相等。这些沉淀相的产生会导致双相不锈钢α:γ=1:1的结构被破坏,并且在这些析出相的周围会产生铬(Cr)耗竭区域,这些区域极易被腐蚀介质中的侵蚀性离子攻击,从而诱发点蚀和晶间腐蚀,会严重降低材料的耐腐蚀性能以及力学性能。众所周知,点蚀和晶间腐蚀是双相不锈钢中最常见的两种腐蚀形式,也是对不锈钢材料破坏最严重的腐蚀形式。因此非常有必要对双相不锈钢的点蚀以及晶间腐蚀展开详细的研究,只有搞清楚了这些腐蚀产生的机制,才可以采取有效的防护措施来避免由其带来的危害。这不仅可以保护地球资源,节约社会经济成本,而且对研究开发新型不锈钢具有十分重要的指导意义。基于以上背景,本文采用电化学测试方法,结合不锈钢微观组织形貌表征手段,对各种不同热处理机制下,节约型双相不锈钢LDX 2404和超级双相不锈钢UNS S32750的显微组织演变以及局部腐蚀行为进行了深入的研究。采用先固溶-后时效的热处理方法,对双相不锈钢材料设置不同热处理敏化温度以及不同保温时间参数变量,然后利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、临界点蚀温度测试(CPT)、双环电化学动电位再活化法(DL-EPR)等技术,研究了LDX 2404双相不锈钢在800℃下敏化不同时间(0-100)h后的晶间腐蚀行为。对UNS S32750不锈钢在900℃敏化不同时间(0-100)h后,其内部微观组织变化和产生局部腐蚀行为的本源进行了深入探讨和研究。具体的研究内容及得出的结论如下:1)采用临界点蚀温度法(CPT)研究了UNS S32750超级双相不锈钢在900℃下敏化不同时间(10 min,30 min,1 h,2 h,4 h,10 h,20 h,100 h)的析出相与点蚀性能之间的关系。DSS UNS S32750的显微组织分析表明,随着时效时间的延长,铁素体体积分数降低,析出相体积分数增加。主要析出相为σ和Cr2N,沉淀析出机理为α→σ+γ2和α→Cr2N+γ2。电化学测试结果表明,CPT与微观组织结构密切相关,随着时效时间的延长,CPT先减小后增加,抗点蚀性能先降低后逐渐恢复。将时效时间从10 h延长到100 h后,由于大多数铁素体已经转变,此时抗点蚀性能出现明显的修复现象,其主要机理是铬元素对贫铬区的补充作用,提高了耐点蚀性,使CPT值再次略微增加。2)采用双环电化学动电位再活化(DL-EPR)方法研究了UNS S32750超级双相不锈钢在900℃下敏化不同时间(10 min,30 min,1 h,2 h,4 h,10 h,20 h,100 h)的析出相与材料晶间腐蚀性能之间的关系。测试结果表明,DOS值与微观组织结构密切相关,DOS值随着时效时间的延长一直增加,材料的晶间腐蚀程度一直加重,并没有出现所谓的愈合现象。这是因为对于DOS评价技术来说,它不仅受最薄弱区域贫铬区的影响,而且还要受到整个试件表面组织的影响。3)采用双环电化学动电位再活化(DL-EPR)方法,评价了节约型双相不锈钢LDX 2404的晶间腐蚀(IGC)敏感性,优化了测试LDX 2404晶间腐蚀敏感性的条件,通过优化的DL-EPR方法研究了LDX 2404在800℃下敏化不同时间后的析出相与IGC敏感性之间的关系。电化学测试结果表明,LDX 2404的IGC敏感性的最优DL-EPR测试条件为:2M H2SO4+0.75M HCl、扫描速率:1.5 m V/s、溶液温度:30℃。用来表征材料IGC倾向的Ra值随着时效时间的延长而增大,在100 h达到最大值。Ra的增大是由于富铬析出相的形成,会导致其周围贫铬程度的增加而造成的。而且,由于形成富铬析出相的作用比铬(Cr)和钼(Mo)从相邻基体向贫铬区的扩散更为重要,因此晶界腐蚀敏感性没有表现出恢复的迹象。
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