双相不锈钢2205焊缝微观结构对H2S富集环境下腐蚀与力学性能的影响机制研究

为解决石油天然气工业中双相不锈钢(DSS)焊接接头在含H2S腐蚀环境下的性能退化问题，研究人员通过机器人气体保护焊(GMAW)调控热输入(QE)，系统研究了相比例(δ/γ)对局部力学行为(纳米压痕)和腐蚀机制(点蚀/SSC)的影响。发现高QE提升焊缝区(WZ)奥氏体含量(54%)改善塑性但加剧硫化物应力开裂(SSC)，而低QE导致热影响区(HAZ)铁素体超70%引发选择性溶解。该研究为苛刻工况下焊接工艺优化提供了关键理论依据。

　　

在能源转型背景下，石油天然气工业仍承担着重要能源供给角色。然而，油气开采运输过程中面临的高浓度H₂S和CO₂腐蚀环境，对材料提出了严峻挑战。双相不锈钢(DSS)凭借其优异的力学性能和耐腐蚀性成为首选材料，但焊接过程中的热循环会导致微观结构失衡，显著影响其在恶劣环境下的服役性能。特别是2205 DSS焊接接头在含H₂S环境中易发生硫化物应力开裂(SSC)和点蚀腐蚀，这些问题严重威胁着油气输送管道的安全运行。

为攻克这一难题，国外研究团队在《Materials Today Communications》发表了一项创新研究。该工作通过精确控制机器人气体保护焊(GMAW)的热输入参数，系统探究了焊接热输入(Q_E)对2205 DSS焊缝微观结构演变及其在模拟H₂S环境下的腐蚀行为和力学性能的影响规律。研究采用三种不同Q_E(0.43-0.61 kJ/mm)制备焊接接头，通过光学显微镜、扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)表征微观结构；采用合成海水+H₂S注入的加速腐蚀实验评估耐蚀性；运用纳米压痕和动态力学分析(DMA)技术定量表征局部力学性能。

研究结果显示，热输入显著影响相比例分布。高Q_E(0.61 kJ/mm)使焊缝区(WZ)奥氏体含量增至54%，但导致热影响区(HAZ)铁素体达64%；而低Q_E(0.43 kJ/mm)使HAZ铁素体飙升至72%。微观形貌分析发现四种奥氏体形态：晶界奥氏体(GBA)、魏氏体奥氏体(WA)、晶内奥氏体(IGA)和部分转变奥氏体(PTA)，这些形态在不同Q_E下保持稳定。

腐蚀测试表明，铁素体选择性溶解是主要失效机制。低Q_E样品HAZ因高铁素体含量(>70%)和Cr/Mo贫化，表现出最严重的点蚀，其点蚀抗力当量数(PREN)降至24.9。而高Q_E样品则因奥氏体富集更易发生SSC，裂纹倾向于沿铁素体扩展，在奥氏体界面受阻。

力学性能测试揭示关键规律：纳米压痕显示高Q_E使WZ弹性模量(E)达225.15 GPa，塑性指数(η_P)为40.2%，呈现弹塑性行为；而低Q_E样品η_P升至75.1%，转为塑弹性响应。DMA循环加载(50-100 Hz)证实，高Q_E样品接触刚度(S)降低(405-549 N/m)，反映奥氏体因偏析导致的性能退化。

这项研究的重要意义在于：首次系统阐明了热输入通过调控δ/γ相比例，双重影响DSS焊接接头腐蚀/力学性能的作用机制。为油气工业焊接工艺优化提供了明确指导——在H₂S环境中，适度提高Q_E可平衡相比例，既避免高铁素体导致的点蚀，又控制奥氏体含量预防SSC。创新性地将纳米压痕DMA技术应用于焊接区性能评估，为微观尺度力学行为研究开辟了新途径。该成果对保障能源基础设施安全服役具有重要工程价值。