南京航空航天大学：提高超双相不锈钢焊接接头的强度、延展性和耐腐蚀性能！

2022-06-16 15:19:36 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

导读：本文将侵没式搅拌摩擦焊（SFSW）应用于SAF2507超双相不锈钢（SDSS）上，与传统搅拌摩擦焊相比，侵没式搅拌摩擦焊（SFSW）能显著削弱焊接热循环。在搅拌区（SZ）形成了α相（α）和γ相（γ）分布均匀、均匀的超细晶粒（UFG）双相组织，平均晶粒尺寸分别为0.96和0.77μm。这种独特的微观结构导致室温下纵向搅拌区的抗拉强度和延伸率协同增强，从AFSW条件下的840 MPa ,18%提高到915 MPa, 22%。此外，这种UFG双相微观结构在决定最终获得更高的耐腐蚀性能方面起着至关重要的作用。此外，与传统的FSW接头相比，整个接头相对较低的残余应力实际上有助于增加SFSW接头的延展性。上述结果表明，在SFSW过程中实现整个SZ的完全平衡的UFG微观结构，并同时提高强度、延伸率和耐腐蚀性能是一种有效的策略。

超级双相不锈钢（SDSSs）具有更稳定的双相结构，铁素体（α）和奥氏体（γ）的比例几乎相等，表现出更优越的力学性能和优良的耐腐蚀性能，从而使它们主要应用于各种领域中更恶劣的环境，如石油化工、核、海水淡化和海洋工业。不幸的是，使用传统的熔焊获得高质量的DSSs接头确实是一项具有挑战性的任务，这很容易导致一些冶金问题，如不适当的相平衡、严重的晶粒长大和脆性金属间相（IMCs）的析出，以及其他不良的微缺陷，从而严重恶化了由此产生的力学性能和耐腐蚀性能接头。

作为一种固态焊接技术，搅拌摩擦焊普遍缺乏焊接材料的熔化和凝固过程。因此，它在实现高质量DSSs接头方面自然表现出了明显的优势，这是由于其内在的优秀能力缓解了上述由熔焊引起的问题。尽管如此，DSSs的FSW仍然存在几个问题。在我们之前的研究中，在SDSS的FSW过程中，这种明显的微观结构非均匀性沿着SZ的厚度发展，被发现强烈影响由此产生的接头的机械性能和耐腐蚀性能，因此，在降低FSW过程中的峰值温度方面，可能值得更多的研究。要提高FSW DSSs接头的综合性能，不利的相变要避免，整个接头发生变形，既要有高强度又要有突出的延性。因此，应进一步降低搅拌摩擦焊的热循环。

此前的研究表明，由于水的吸热能力强，浸没式搅拌摩擦焊（SFSW）是一种在高温下降低峰值温度和持续时间的高效方法，从而在各种材料中实现高质量的接头，正如WAHID等人综述的那样。例如，Zhao et al.利用SFSW来控制焊接过程中的热输入，并发现了7075铝合金喷射成形的FSW过程中水冷却的有效性。此外，Sabari er al.对AA2519-T87铝合金进行了SFSW工艺。他们发现，粗化和溶解的可以有效抑制AFSW过程中焊接热循环引起的强化析出物，从而在相对较高的焊接速度下获得优异的拉伸性能。

与空冷FSW接头相比，水下焊接接头表现出更好的抗拉性能机械响应同时增强了极限抗拉强度和伸长率。同时，由于焊接温度明显降低，浸没式搅拌摩擦焊接头获得了相对较低的残余应力，进一步提高了搅拌摩擦焊接头的疲劳强度。Zhang和Liu采用SFSW提高可热处理铝合金的接头强度，最终通过优化焊接获得了360 MPa的更高抗拉强度。结果表明，在空冷条件下，接头温度比普通接头大。

众所周知，在FSW过程中相对较低的热输入对实现超细晶粒（UFG）结构起着至关重要的作用，其微观结构特征可以同时提高SZ的强度和延性。事实证明，附加冷却的FSW为SZ内部形成超细晶粒（UFG）组织提供了一种有效的策略，特别是对于低层错能（SFE）的材料。从以往的研究回顾，可以很好地理解SFSW不仅可以有效地控制焊接温度，还可以获得SFE较低的DSSs UFG双相结构。因此，它可能更适合于连接对高温敏感的DSSs。不过，到目前为止，对于DSSs的SFSW仍然没有相关的研究。

在本研究中，南京航空航天大学沈以赴教授团队将侵没式搅拌摩擦焊（SFSW）应用于SAF2507超双相不锈钢（SDSS）上，与传统搅拌摩擦焊相比，侵没式搅拌摩擦焊（SFSW）能显著削弱焊接热循环。在搅拌区（SZ）形成了α相（α）和γ相（γ）分布均匀、均匀的超细晶粒（UFG）双相组织，平均晶粒尺寸分别为0.96和0.77μm。这种独特的微观结构导致室温下纵向搅拌区的抗拉强度和延伸率协同增强，从AFSW条件下的840 MPa ,18%提高到915 MPa, 22%。相关研究成果以题“Simultaneously enhanced strength-ductility synergy and corrosion resistance in submerged friction stir welded super duplex stainless steel joint via creating ultrafine microstructure”发表在金属顶刊Journal of Materials Processing Technology上。

链接：https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2022.117660

图1实验配置：（a） SFSW和无线测温系统原理图，（b）用于微结构表征和性能测试的样品制备方法。注：法向、横向和焊接方向分别定义为ND、TD和WD。

图2空气和水冷却条件下搅拌摩擦焊的热历史分布图。注：T0- t1 表示SAF2507 SDSSs在铁素体和奥氏体之间的相变温度范围，用Jmatpro计算为627℃和1140℃。

图3空气和水中FSW SDSS接头前后表面形貌：（a）和（c） AFSW，（b）和（d） SFSW。

图4 （a） AFSW和（b） SFSW接头在恒定转速800转/分、焊接速度50 mm/min下产生的截面图，（c）-（d）分别在（a）和（b）中以点矩形标记的两个接头AS上放大了TMAZ的OM图像。

图5接收后BM的EBSD结果：（a）反孔图（IPF），（b）相图，（c）晶界图，（d） α相和γ相对应的定向角分布。

图6显示AFSW和SFSW接头典型区域的SEM显微图：（a） AFSW和（b） SFSW接头的顶面

图7不同冷却条件下制备的CSZ的EBSD IPF、相分布和KAM图：（a）-（c） AFSW，（d）-（e） SFSW。

图8 TEM图像显示（a）-（b） BM，（c）-（d） AFSW和（e）-（f） SFSW接头的位错密度。

图9 （a） AFSW和（b） SFSW节理CSZ中的晶界图，以及（c） α和（d） γ相对应的晶界特征统计结果。

图10 （a）-（b） AFSW，（c）-（d） SFSW TSZ中的IPFs和相位图。

图11 （a）通过AFSW和SFSW处理的BM和焊缝的XRD谱图，（b）根据XRD结果得到的各种反射，对风冷和水冷zs中的α和γ相进行Williamson-Hall图和线性拟合。注：残余应力水平由斜率ε的值反映。

图12采用（a） AFSW和（b） SFSW的整个横截面节理显微硬度分布云图。

图13风冷和水冷条件下制备的BM、纵向SZs和横向FSW接头的拉伸性能：（a）和（c）工程应力-应变曲线和断裂位置，（b）和（d）相应拉伸试样的平均YS、UTS和El。插图显示了拉伸试样的断裂位置。

图14两种接头BM和典型SZs的电化学结果：（a） PDP曲线，（b） Bode曲线

图15浸泡腐蚀试验后AFSW和SFSW接头中BM和SZs的激光扫描显微图：（a） BM。（b） AFSW，（c） SFSW。

图16 70 wt. % Fe时的Fe- cr - ni伪二元相图。

图17拉伸变形过程中双相微观组织演变示意图：（a） AFSW，（b） SFSW。

图18带有软硬区域的AFSW和SFSW接头模型示意图。

（1）与SFSW相比，有流动水的SFSW大幅降低了焊接峰值温度从1077.5°C降低到783.7°C，表面氧化程度以及SZ和TMAZ区域的尺寸，导致焊接无缺陷。

（2）充分证明了SFSW有效地消除了α - γ之间不利的相变，同时促进了分布更均匀的UFG双相组织的形成。这些微观结构特征最终改善了整个SFSW接头的腐蚀行为和硬度。纵向SZ的YS和UTS从840 MPa提高到915 MPa，从997 MPa提高到1072 MPa, El从18%提高到22%。结果表明，横向SFSW节理结合全节理宽度减小的情况下，其强度和延性得到了较好的权衡，YS、UTS和El均略有提高。

（3）除了α的CDRX和γ的CDRX和DDRX的结合外，对晶粒生长的极大抑制同时促进了SFSW SZ中UFG双相组织的形成和晶粒细化效率的提高。

（4） SFSW中的晶界强化和位错强化显著促进了强度的增加，而较高的塑性主要是由均匀分布的由α和γ相组成的超细组织和相对较低的残余应力以及SZ和TMAZ等硬区尺寸减小引起的应变硬化能力的增强。

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