300℃时效处理对TA2/2205复合板组织性能的影响

2023-01-12布伟刚司继海庞国庆

装备制造技术 2022年10期

杨欢，布伟刚，司继海，庞国庆，赵峰，张涛

（西安天力金属复合材料股份有限公司，陕西西安 713703）

2205是中合金型双相不锈钢的代表品种，其中应用较普遍，在双相不锈钢中的使用占比高达80%[1]。2205双相不锈钢具有铁素体和奥氏体两相组织，兼有铁素体相的高强度、良好的耐氯离子应力腐蚀和奥氏体相优良的韧性、塑性和焊接性能。点蚀在化工生产及航海业中常常会遇到，但钛表面能完全抑制材料表面点蚀的萌生。钛/钢复合板是采用物理和化学的方法，将钛及钛合金与钢材结合在一起的复合板材[2]。钛/钢复合板具有复层优异的耐蚀性能，又结合了基层高强度和刚度的特点。双相不锈钢由于线性热膨胀系数较奥氏体不锈钢低，与碳钢接近，所以可采用爆炸焊接的方法与钛焊接制成双金属复合板，较钛板相比，钛/钢复合板成本低而性能优良，已被广泛应用于压力容器、电站冷凝设备、石油化工和化纤装置、水利发电等。

复合板在爆炸复合生产过程中会产生热应力，因此爆炸复合板一般都要进行去应力退火。在热加工过程中，由于工艺参数控制不当，材料组织中甚至会有析出相析出，双相不锈钢析出相的出现温度范围为300～1000℃，析出相的出现对材料的力学性能、耐蚀性能均会产生影响[3-5]。选取300℃作为TA2/2205复合板时效温度，以探究低温时效对材料组织及性能的影响。

1 试验材料及方法

试验材料为2205双相不锈钢，其化学成分见表1。

表1 2205双相不锈钢主要化学成分

本研究所使用的试样先经过固溶处理（1050℃-2h-水冷），使得到奥氏体γ相和铁素体α相两相平衡的组织。TA2/2205复合板时效温度为300℃空冷，保温时间为4 h。其次对试样进行显微组织观察和力学性能进行测试。根据GB/T 2010将试样加工成标距为30 mm，平行部分直径为6 mm的棒状拉伸试样，在RSA250（F295）万能试验机上进行常温拉伸试验；使用HD1875硬度测试仪测量试样硬度；在LWS-160双工位钢筋冷弯试验机上完成复合板弯曲试验。每个测试条件测试三个有效样品，结果均取平均值。

采用动电位极化曲线及FeCl3浸泡方法研究其腐蚀性能。借助P4000电化学工作站，对试样的腐蚀性能进行测试。选3.5%NaCl为腐蚀液，腐蚀液温度为30℃。测试区间为-1 V～1.5 V，扫描速率为2 mV·s-1。FeCl3浸泡试验按ASTM A923-14法进行测试。

2 结果与讨论

2.1 微观组织分析

图1为原始态2205和TA2/2205复合板在300℃时效处理、4 h空冷后双相钢的金相显微组织，图中深色部分是铁素体α相、岛屿部分浅色组织是奥氏体γ相。由显微组织可以看出，在300℃时效处理后只有铁素体α相和奥氏体γ相产生，且分布均匀，晶粒细小，基本上没有任何析出相。使用Image Pro Plus软件对铁素体相含量进行计算，得到如表2所示结果。发现原始态2205和300℃时效温度处理后TA2/2205复合板的铁素体α相含量均接近50%，即铁素体α相和奥氏体γ相两相比例均接近1∶1。研究表明，当铁素体α相跟奥氏体γ相相比例接近1∶1时双相不锈钢的综合性能最佳，具有较好的抗腐蚀能力以及较优的力学性能[6]。因而TA2/2205复合板的基板兼备铁素体和奥氏体组织的优点。

图1 2205双相不锈钢在的金相组织

表2 2507超级双相不锈钢铁素体的相比

2.2 力学性能分析

表3为TA2/2205复合板在300℃时效处理、4 h空冷后和原始态2205的相关力学性能的具体数值。

表3 原始态和TA2/2205复合板相关力学性能

表3反映了原始态2205和300℃时效处理、4 h空冷后TA2/2205复合板基板的屈服强度、伸长率和硬度值。由表中可以看出，2205作为复合板的基材后屈服强度和硬度值均增大，而伸长率减小。较原始态2205屈服强度和硬度值分别增大1.9%和5.95%，伸长率减少5.96%。力学性能比较发现，TA2/2205复合板热处理后强度升高，韧性下降。复合板在爆炸复合生产过程中会产生热应力，复合板内残余应力的存在会严重地影响，基体金属的强度和硬度、刚度、加工精度和尺寸稳定性，耐蚀性等物理化学性能。此类应力一般会提高材料的强度，特别是屈服强度，而会降低材料的塑性[7]。

从应力的性质分析，低温消应力的复合板主要是以消除压应力为主，且不能完全消除应力。通过比较表3中的数据发现，2205作为复合板的基材后较原始态2205相比较力学性能值变化不大。因此，选择300℃对TA2/2205复合板进行时效退火是可行的。同时，表3也反应出我公司生产的TA2/2205复合板满足GB/T8546-2007 B1级标准，剪切强度高达标准的3倍。

2.3 腐蚀性能分析

图2为2205和300℃时效处理、4 h空冷后TA2/2205复合板基板测试的Tafel曲线。从图中可以看出，原始态和复合板基板不锈钢试样均有明显的钝化区。由图中可以看出，2205作为复合板的基材时效处理后点蚀点位Eb为1.01 V，原始态2205点蚀电位Eb为1.07 V，原始态2205点蚀电位较2205作为复合板的基材时效处理后点蚀点位高0.06 V。通过对极化曲线阳极区和阴极区的线性拟合，可得到的不同时效温度下自腐蚀电流密度及变化趋势。自腐蚀电流密度Icoor能更准确的评价材料耐蚀性能。一般自腐蚀电流密度越小，材料的腐蚀倾向越弱，即材料的耐腐蚀性能越好。从Tafel曲线中可以看出原始态2205的电流密度Icoor值更小，故2205作为复合板的基材时效处理后较原始态2205耐点腐蚀性能减弱。

图2 原始态2205和TA2/2205复合板在300℃下的Tafel曲线

图3为采用ASTM A923-14法，将原始态2205和TA2/2205复合板基板双相不锈钢置于22℃，6%FeCl3腐蚀溶液，浸泡24 h后的宏观形貌图。从图中可以看出，原始态2205和TA2/2205复合板基板双相不锈钢浸泡后的试样，用肉眼观察不出明显的腐蚀坑。通过计算腐蚀速率（表4）可以看出，2205作为复合板的基材和原始态2205不锈钢腐蚀速率均为0mdd。吴玮巍[8]等在对比FeCl3浸泡方法和电化学方法时，提出FeCl3浸泡方法考虑的是稳定点蚀形成后的发展过程，其结果侧重于评价不锈钢抑制稳态点蚀长大的能力。原始态2205和TA2/2205复合板基板双相不锈都具有抑制点蚀长大的能力。考虑实际应用中，TA2/2205复合板复层TA2作为与腐蚀液接触面，TA2的耐腐蚀性能较2205双相不锈点蚀点位更高。