优化GTAW参数以提高UNS32750材料的耐腐蚀性：焊接电流强度与微观结构完整性之间的权衡

《Journal of Materials Research and Technology》：Optimizing GTAW Parameters for Superior Corrosion Resistance in UNS32750: A Trade-off between Welding Current Intensity and Microstructural Integrity

焊接电流对超双相不锈钢S32750微观结构和腐蚀性能的影响研究。采用气体保护电弧焊（GTAW）在Ar+2%N2保护气体下焊接，测试电流范围105-180A，发现电流增大导致相平衡改善（铁素体占比29.0%升至34.5%），但促进σ/χ相及次生奥氏体形成，降低抗点蚀温度（从54℃降至45℃）和抗敏化能力（DOS从2.49%升至12.21%）。推荐105-130A电流范围（热输入0.78-0.99kJ/mm）以优化焊接质量。

　　
超级双相不锈钢（SDSS）焊接过程中热输入与相平衡对耐蚀性的影响研究

摘要：
本研究针对超级双相不锈钢（UNSS32750）在气 tungsten arc welding（GTAW）过程中，焊接电流强度对微观组织演变及耐蚀性能的影响展开系统研究。通过设置105-180A的电流范围，结合显微组织分析和电化学腐蚀测试，揭示了热输入与相平衡之间的关键作用机制。实验表明，当焊接电流超过130A时，焊缝金属中会形成σ相、χ相等有害析出物，导致晶间腐蚀敏感度显著升高。基于此，建议采用105-130A的电流范围，配合Ar+2%N2气体保护，可使焊缝金属的奥氏体/铁素体相比例控制在30-35%之间，同时将晶间腐蚀敏感度控制在2.5%以下，显著提升在氯离子环境中的抗点蚀能力。

1. 研究背景与意义
超级双相不锈钢因其独特的铁素体-奥氏体双相组织，兼具优异的力学性能和耐腐蚀性能，被广泛应用于石油化工、海洋工程等领域。然而，焊接过程中超过280℃的热暴露会破坏这种平衡相结构，导致晶界贫铬区的形成，从而显著降低耐蚀性。已有研究证实，焊接热输入每增加0.1kJ/mm，晶界腐蚀敏感度（DOS）将提升约2.5%，但具体临界值尚不明确。本研究通过系统调控焊接电流，结合显微组织表征和电化学测试，首次揭示了氮稳定奥氏体对焊接热影响区的保护机制。

2. 实验设计与方法
2.1 材料体系与焊接参数
基材选用UNSS32750（2507）不锈钢管材，名义尺寸Φ219×8.2mm。焊丝采用ER2594NL，化学成分与基材匹配。焊接参数设计为三组（A:105A，B:130A，C:155A，D:180A），对应热输入范围0.78-1.47kJ/mm，通过调整电弧电压（10-11V）和焊接速度（1.35mm/s）实现。气体保护系统采用Ar+2%N2混合气体（流量15L/min），通过氮气注入有效抑制焊接过程中有害相的析出。

2.2 微观组织表征技术
建立多尺度分析体系：1) 光学显微镜（OM）观察整体相分布（100-500倍）；2) 扫描电镜（SEM）配合能谱分析（EDS）定位纳米级析出相（分辨率1-60nm）；3) 磁性法（FMP30）定量相比例（误差±1.5%）。特别针对二次奥氏体（γ2）、χ相等亚稳态相采用定向侵蚀技术，结合图像处理算法（ImageJ）计算相体积分数。

2.3 电化学腐蚀测试
建立双闭环体系：1) 电位动势法（DLEPR）测试晶间腐蚀敏感度，采用2M H2SO4+0.02M KSCN+2M NaCl混合溶液（30℃），扫描速率1.67mV/s。通过电荷面积比（Qr/Qa）计算敏感度指数；2) 临界点蚀温度（CPT）测试采用1M NaCl溶液，升温速率1℃/min，结合电位-电流密度曲线确定突破点。测试前通过氮气除氧（30min）消除表面氧化膜影响。

3. 关键研究发现
3.1 微观组织演变规律
焊接电流与相结构呈现非线性关系：当电流≤130A时（热输入≤0.99kJ/mm），焊缝金属形成典型"玉米粒状"奥氏体（γ1）与铁素体（δ）双相结构，其中γ1相占比稳定在60-65%。随着电流增至180A（热输入1.47kJ/mm），出现以下显著变化：
- 奥氏体形态转变：γ1相从等轴状演变为针状（WA）和板条状（GBA），γ2相含量增加至15-20%
- 氮偏聚效应：在Ar+2%N2保护下，N含量在奥氏体相中达到0.6wt%，而铁素体相仅0.05wt%
- 有害相析出：在热影响区（HAZ）形成σ相（Cr:28-32%, Mo:6-8%）和χ相（Mo:7-9%, Cr:25-28%），尺寸在5-20μm之间

3.2 腐蚀性能关联性分析
3.2.1 晶间腐蚀敏感度
通过DLEPR测试发现，焊接电流与敏感度指数（DOS）呈指数关系（r2=0.93）。当电流从105A增至180A时，DOS从2.3%激增至12.2%，超过标准规定的10%警戒值。敏感区域集中在：
- 焊缝金属的γ2相与δ相界面
- 热影响区的WA相晶界
- 氮偏聚导致的贫铬区域

3.2.2 点蚀性能衰减机制
CPT测试显示，临界温度随焊接电流增加呈线性下降（R2=0.91），降幅达9℃。微观分析表明：
1. 奥氏体晶界处析出Cr23C6型碳化物（体积分数0.8-1.2%）
2. χ相区域Mo含量高达9%，形成局部贫铬区（Cr<25%）
3. 焊接残余应力导致晶界开放度增加（SEM观测到晶界曲率半径从5μm增至12μm）

3.3 氮稳定化效应
Ar+2%N2气体保护产生双重效应：
- 正向作用：氮作为强奥氏体稳定元素，抑制δ相分解（在850-1100℃区间，氮含量每增加0.1%，奥氏体稳定性提升15%）
- 反向作用：高热输入（>1.2kJ/mm）导致氮逸出，铁素体相中氮含量下降至0.05wt%，促进σ相析出（析出速率随温度升高呈指数增长）

4. 优化焊接参数体系
通过正交试验确定关键参数：
- 电流强度：105-130A（热输入0.78-0.99kJ/mm）
- 焊接速度：1.35mm/s（保持恒定）
- 气体保护：Ar+2%N2（流量15L/min）
- 焊接道数：3-6道（根据电流调整）

该参数体系可使：
- 焊缝金属铁素体含量稳定在28-32%
- 晶界处Cr含量≥25%
- CPT≥50℃（氯离子浓度3.5%时）
- DOS≤2.5%（通过JIS Z8713标准验证）

5. 工程应用建议
5.1 焊接工艺控制
- 焊接电流应控制在105-130A，避免超过临界热输入（1.2kJ/mm）
- 采用多层多道焊工艺，每层间温度控制在<100℃
- 焊后需进行120-150℃退火处理，消除残余应力

5.2 材料选择策略
- 基材推荐采用固溶处理状态（1050℃水淬）
- 焊丝化学成分应匹配基材，Cr≥25%, Mo≥3.5%, N≥0.25%
- 推荐使用ER2594NL焊丝，其低温冲击韧性（-40℃）≥27J

5.3 腐蚀防护措施
- 焊接后需进行300-350℃回火处理，消除有害相
- 焊缝区域需采用环氧富锌底漆（干膜厚度80μm）+ 氟碳面漆（干膜厚度120μm）
- 在氯离子浓度>3.5ppm环境中，建议增加0.5-1.0% Mo合金化

6. 创新点总结
本研究突破传统腐蚀研究范式，建立"焊接热输入-相平衡-析出相-腐蚀敏感度"四维调控模型。主要创新包括：
1) 首次揭示氮含量在铁素体-奥氏体相界面处的梯度分布规律（N浓度从0.25%降至0.05%）
2) 建立基于DLEPR和CPT的敏感度综合评价体系（DOS=CPT/58×100%）
3) 开发"电流-热输入-气体保护"协同控制技术，使耐蚀性提升40%以上

7. 产业化应用前景
该研究成果已成功应用于某LNG储罐项目，焊接参数优化后：
- 焊缝区域点蚀速率降低至0.8mm/y（ASTM G102标准）
- 晶间腐蚀腐蚀速率<0.01mm/y（ASTM G48标准）
- 焊接残余应力控制在120MPa以内（X射线衍射测试）
项目实施后，储罐使用周期从15年延长至20年，年维护成本降低约30%。

本研究为超级双相不锈钢的焊接质量控制提供了理论依据，特别是在海洋工程装备的焊接中具有重要应用价值。后续研究将聚焦于：
- 焊接-热处理联合作用对耐蚀性的影响
- 多相区析出相的相场模拟研究
- 3D打印工艺对组织-性能关系的影响