固溶处理对节镍型LDX2101及00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢腐蚀行为的影响

龚利华 李 洋

（江苏科技大学材料科学与工程学院，江苏 镇江 212003）

双相不锈钢将奥氏体不锈钢的优良焊接性、韧性及耐晶间腐蚀性，与铁素体不锈钢的较高强度和耐氯化物应力腐蚀性能有效地结合在一起，是一种重要的可焊接的结构材料，在石油、化工等领域得到了广泛应用，并成为新型金属材料研究的热点。00Cr22Ni5Mo3N（SAF2205）双相不锈钢含有较高的Cr、Mo和Ni，具有高强度、良好的冲击韧性、高的耐蚀性能及可焊接性。而节镍型双相不锈钢是目前不锈钢的重要发展方向，是近20年才发展起来的新品种［1-2］，其利用高N、高Mn取代Ni，以获得稳定的奥氏体组织，同时含Mo量有所下降。瑞典Outokumpu公司开发的节镍型LDX2101双相不锈钢［3］，其Ni质量分数已降低至1.5%左右，生产成本显著下降。

双相不锈钢在加工过程中往往会因为热处理工艺不当而导致有害相的析出［4-7］，使钢的力学性能及耐蚀性能恶化，所以在合金元素及其含量确定的情况下，适宜的热处理工艺是双相不锈钢优良性能的保证。目前有关热处理对双相不锈钢微观组织乃至局部腐蚀行为的影响已有较多的研究，但主要是1 000℃以上的高温固溶以及850℃的中温时效等方面［8-10］，腐蚀行为方面更多的是关注点蚀行为的变化［11-12］。本文针对节镍型LDX2101双相不锈钢，研究了950和1 100℃固溶处理对其微观组织以及点蚀和应力腐蚀开裂行为的影响，并与应用较为广泛的2205双相不锈钢进行比较，将有助于此类材料在我国的应用和发展。

1 试验材料及方法

试验材料为宝钢LDX2101（简称2101）双相不锈钢和瑞典山特维特公司SAF2205（简称2205）双相不锈钢热轧板，板厚均为3 mm，具体成分如表1所示。

表1 试验用双相不锈钢的化学成分（质量分数）Table 1 Chemical compositions of the duplex stainless steels for testing （mass fraction） %

在SGM28型40 kW箱式电阻炉中对试样分别进行950和1 100℃保温60 min后水淬的固溶处理。

金相试样经磨、抛后用腐蚀剂（成分为0.3 g K2S2O5＋20 mL HCl＋80 mL H2O）［13］进行侵蚀，然后采用Zeiss光学显微镜和JEOL-JSM-6480型扫描电镜观察试样显微组织，利用能谱仪进行成分分析。

利用标准三电极系统测试试样的动电位极化曲线，参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂电极，测试仪器为EG＆G PARC M283恒电位仪，试验介质为体积分数为3.5%的NaCl溶液，扫描速度为0.5 mV/s。定义腐蚀电流密度突升时对应的电位为点蚀电位。

按照GB/T 15970.7—2017《金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验第7部分：慢应变速率试验》，将固溶处理前后的试样加工成标准拉伸试样，采用SCC-1型应力腐蚀试验系统进行常温慢应变速率拉伸（slow strain rate tensile，SSRT）试验，应变速率为1×10－6s－1，腐蚀介质为体积分数为3.5%的NaCl溶液。试样拉断后，利用扫描电镜观察断口形貌。

2 结果与讨论

2.1 固溶处理对微观组织的影响

图1为2101和2205双相不锈钢经950和1 100℃固溶处理后的显微组织。图1（a，b）显示出规则的两相交织分布的条带状组织特征，区域分布不均匀，其中亮白色组织为γ相，灰黑色组织为α相，α相中还零星分布着二次奥氏体（γ2），由α相在冷却过程中转变而来。随着固溶温度的提高，γ2相减少，组织中未见其他析出物。图1（c，d）显示2205双相不锈钢固溶处理后的组织同样为规则的γ相与α相交织分布，较为均匀，但当固溶温度为950℃时，在α/γ相界靠近α相一侧有少量析出相。图2为2101和2205钢经950℃固溶处理后的扫描电镜形貌。从图中清晰可见2101不锈钢中析出了颗粒状析出物γ2，而2205不锈钢于α/γ相界处有析出物。

2205双相不锈钢经950℃固溶处理后各相中主要合金元素含量如表2所示。Cr、Mo是铁素体稳定元素，通常双相不锈钢中α相较γ相的Cr、Mo含量更高，而Mn、Ni是奥氏体稳定元素，γ相的Mn、Ni含量相对较高，表2中能谱分析结果符合这一规律。此外，析出相的Cr、Mo含量明显高于α相的，但Ni含量较少。大量研究表明：高铬钼钢600～1 000℃固溶处理易析出σ 相［14-17］，σ 相为富Cr、Mo且贫Ni的Fe-Cr-Mo金属间化合物，所以初步判断2205钢中有σ相析出。经950℃固溶处理的2101及2205钢的X射线衍射图谱如图3所示。可见，2205钢中析出了σ相，而2101钢中并未检测到该相。

表2 2205双相不锈钢经950℃固溶处理后各相中主要合金元素含量（质量分数）Table 2 Content of main alloy elements in each phase of 2205 duplex stainless steel solution treated at 950 ℃ （mass fraction） %

图3 经950℃固溶处理的2101和2205双相不锈钢的X射线衍射图谱Fig.3 X-ray diffraction patterns of 2101 and 2205 duplex stainless steels solution treated at 950℃

虽然2101和2205双相不锈钢中α相和γ相含量相当，但合金元素种类及含量的不同使得两种钢固溶处理后的微观组织产生一定的差异。2205钢含Cr和Mo量较高，导致C曲线左移，扩大了σ相稳定存在的温度范围，同时缩短了σ 相的析出时间［15，17-18］，使2205 钢950℃固溶处理后析出了σ相。而2101钢的Mo含量明显低于2205钢，显著抑制了σ相的析出。

2.2 固溶处理对点蚀行为的影响

图4为经950和1 100℃固溶处理后2101和2205双相不锈钢的动电位极化曲线，点蚀电位如表3所示。

图4 经950和1 100℃固溶处理后2101和2205双相不锈钢的动电位极化曲线Fig.4 Potentiodynamic polarization curves of 2101 and 2205 duplex stainless steels solution treated at 950 and 1 100℃

表3 经950和1 100℃固溶处理后2101和2205双相不锈钢的点蚀电位Table 3 Pitting potential of 2101 and 2205 duplex stainless steels solution treated at 950 and 1 100℃ mV

Mo除了是双相不锈钢中α相稳定化元素之外，还是重要的抗点蚀元素，能改善合金的钝化性能，提高其耐氯离子侵蚀性能，但这种优良的耐点蚀性要以合金含有足够的Cr元素为前提。2205双相不锈钢中Mo的质量分数高达3.01%，远高于2101钢（wMo＝0.22%），虽然2101钢中N含量较高，可依靠N形成的NH＋4抑制点蚀坑pH值下降，提高材料的耐点蚀性能，但N含量与Mo元素相比变化较小，不能充分发挥其有益作用。所以两种材料成分的差异使热轧态2205双相不锈钢的耐点蚀性能优于2101钢，这从2205钢较高的点蚀电位可以得到证实（见表3）。

结合图4和表3可以看出，两种材料经950℃固溶处理后耐点蚀性能均下降，2205钢下降更明显，甚至略低于2101钢，这与2205钢中析出少量σ相有关。σ相为富Cr、Mo相，其周围常出现贫Cr、Mo区，成为点蚀优先发生的区域。2101钢的耐点蚀性能下降是因为950℃固溶处理时形成了少量二次奥氏体γ2，γ2是通过亚稳态的α相转变而来，转变区域往往含有较高含量的γ相稳定化元素Ni、Mn，从而成为相对贫Cr区，优先发生选择性腐蚀，增大了点蚀敏感性。当固溶温度提高到1 100℃时，两种材料的耐点蚀性能均提高。对于2101钢，温度提高促进了元素扩散，贫Cr、富Ni区消失，组织更加均匀，合金元素在两相中分布更为均匀，两相的耐点蚀性能差异更小。而2205钢则由于1 100℃已高于σ相的析出温度，组织中不存在由σ相析出导致的贫铬区，且高温加热也使两相组织和元素分布更加均匀。

2.3 固溶处理对应力腐蚀开裂行为的影响

图5为2101和2205双相不锈钢固溶处理前后慢应变拉伸速率试验的应力-拉伸量曲线，试验结果如表4所示。

图5 固溶处理前后2101和2205双相不锈钢的慢应变速率拉伸试验的应力-拉伸量曲线Fig.5 Stress-elongation curves of 2101 and 2205 duplex stainless steels during slow strain rate tensile test before and after solution treatment

表4 固溶处理前后2101和2205双相不锈钢的慢应变速率拉伸试验结果Table 4 Slow strain rate tensile test results of 2101 and 2205 duplex stainless steels before and after solution treatment

材料的组织缺陷会加剧其在腐蚀性介质中力学性能的恶化。如表4所示，2101和2205双相不锈钢固溶处理后的耐应力腐蚀性能总体升高，且随着固溶温度的升高，应力腐蚀敏感性降低。但950℃固溶处理的2205钢的断后伸长率下降、断裂时间缩短，耐应力腐蚀性能下降。这主要与组织中脆性σ相析出有关，同时按照阳极溶解理论，在力的作用下，材料产生滑移，钝化膜破裂，露出新鲜表面，σ相析出导致的贫Cr区优先溶解，成为裂纹源，导致应力腐蚀敏感性增大。

图6为1 100和950℃固溶处理的2205双相不锈钢经慢应变速率拉伸后的断口形貌。其中1 100℃固溶处理的断口均匀分布着直径较小、较浅的韧窝，局部有撕裂岭，但总体上以韧窝形貌为主，属于韧性断裂；950℃固溶处理的断口撕裂岭增多，韧窝数量和深度减小，脆性断裂倾向增大，耐应力腐蚀性能下降。

图6 不同温度固溶处理的2205不锈钢试样慢应变速率拉伸后的断口形貌Fig.6 Micrographs of fracture of 2205 stainless steel samples solution treated at different temperatures after slow strain rate tensile test

3 结论

（1）2101和2205双相不锈钢中α相和γ相含量相当，但合金元素种类及含量的差异使两种钢固溶处理后的微观组织产生了一定差异。950℃固溶处理使2101不锈钢中析出少量弥散分布的γ2相，组织均匀性较差，2205双相不锈钢中析出了σ相。

（2）热轧态2205双相不锈钢的耐点蚀性能优于2101不锈钢，但950℃固溶处理使其耐点蚀性能急剧恶化，不如相同工艺热处理的2101钢；1 100℃固溶处理对两种钢的点蚀行为影响不大。

（3）2101和2205双相不锈钢固溶处理后耐应力腐蚀性能总体升高，且随着固溶温度的升高，应力腐蚀敏感性降低。950℃固溶处理的2205钢中由于析出σ相，应力腐蚀敏感性显著增大。