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南京航空航天大學(xué)：提高超雙相不銹鋼焊接接頭的強(qiáng)度、延展性和耐腐蝕性能！

2022-06-16 15:19:36 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

導(dǎo)讀：本文將侵沒式攪拌摩擦焊（SFSW）應(yīng)用于SAF2507超雙相不銹鋼（SDSS）上，與傳統(tǒng)攪拌摩擦焊相比，侵沒式攪拌摩擦焊（SFSW）能顯著削弱焊接熱循環(huán)。在攪拌區(qū)（SZ）形成了α相（α）和γ相（γ）分布均勻、均勻的超細(xì)晶粒（UFG）雙相組織，平均晶粒尺寸分別為0.96和0.77μm。這種獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致室溫下縱向攪拌區(qū)的抗拉強(qiáng)度和延伸率協(xié)同增強(qiáng)，從AFSW條件下的840 MPa ,18%提高到915 MPa, 22%。此外，這種UFG雙相微觀結(jié)構(gòu)在決定最終獲得更高的耐腐蝕性能方面起著至關(guān)重要的作用。此外，與傳統(tǒng)的FSW接頭相比，整個(gè)接頭相對較低的殘余應(yīng)力實(shí)際上有助于增加SFSW接頭的延展性。上述結(jié)果表明，在SFSW過程中實(shí)現(xiàn)整個(gè)SZ的完全平衡的UFG微觀結(jié)構(gòu)，并同時(shí)提高強(qiáng)度、延伸率和耐腐蝕性能是一種有效的策略。

超級雙相不銹鋼（SDSSs）具有更穩(wěn)定的雙相結(jié)構(gòu)，鐵素體（α）和奧氏體（γ）的比例幾乎相等，表現(xiàn)出更優(yōu)越的力學(xué)性能和優(yōu)良的耐腐蝕性能，從而使它們主要應(yīng)用于各種領(lǐng)域中更惡劣的環(huán)境，如石油化工、核、海水淡化和海洋工業(yè)。不幸的是，使用傳統(tǒng)的熔焊獲得高質(zhì)量的DSSs接頭確實(shí)是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，這很容易導(dǎo)致一些冶金問題，如不適當(dāng)?shù)南嗥胶?、?yán)重的晶粒長大和脆性金屬間相（IMCs）的析出，以及其他不良的微缺陷，從而嚴(yán)重惡化了由此產(chǎn)生的力學(xué)性能和耐腐蝕性能接頭。

作為一種固態(tài)焊接技術(shù)，攪拌摩擦焊普遍缺乏焊接材料的熔化和凝固過程。因此，它在實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量DSSs接頭方面自然表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢，這是由于其內(nèi)在的優(yōu)秀能力緩解了上述由熔焊引起的問題。盡管如此，DSSs的FSW仍然存在幾個(gè)問題。在我們之前的研究中，在SDSS的FSW過程中，這種明顯的微觀結(jié)構(gòu)非均勻性沿著SZ的厚度發(fā)展，被發(fā)現(xiàn)強(qiáng)烈影響由此產(chǎn)生的接頭的機(jī)械性能和耐腐蝕性能，因此，在降低FSW過程中的峰值溫度方面，可能值得更多的研究。要提高FSW DSSs接頭的綜合性能，不利的相變要避免，整個(gè)接頭發(fā)生變形，既要有高強(qiáng)度又要有突出的延性。因此，應(yīng)進(jìn)一步降低攪拌摩擦焊的熱循環(huán)。

此前的研究表明，由于水的吸熱能力強(qiáng)，浸沒式攪拌摩擦焊（SFSW）是一種在高溫下降低峰值溫度和持續(xù)時(shí)間的高效方法，從而在各種材料中實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的接頭，正如WAHID等人綜述的那樣。例如，Zhao et al.利用SFSW來控制焊接過程中的熱輸入，并發(fā)現(xiàn)了7075鋁合金噴射成形的FSW過程中水冷卻的有效性。此外，Sabari er al.對AA2519-T87鋁合金進(jìn)行了SFSW工藝。他們發(fā)現(xiàn)，粗化和溶解的可以有效抑制AFSW過程中焊接熱循環(huán)引起的強(qiáng)化析出物，從而在相對較高的焊接速度下獲得優(yōu)異的拉伸性能。

與空冷FSW接頭相比，水下焊接接頭表現(xiàn)出更好的抗拉性能機(jī)械響應(yīng)同時(shí)增強(qiáng)了極限抗拉強(qiáng)度和伸長率。同時(shí)，由于焊接溫度明顯降低，浸沒式攪拌摩擦焊接頭獲得了相對較低的殘余應(yīng)力，進(jìn)一步提高了攪拌摩擦焊接頭的疲勞強(qiáng)度。Zhang和Liu采用SFSW提高可熱處理鋁合金的接頭強(qiáng)度，最終通過優(yōu)化焊接獲得了360 MPa的更高抗拉強(qiáng)度。結(jié)果表明，在空冷條件下，接頭溫度比普通接頭大。

眾所周知，在FSW過程中相對較低的熱輸入對實(shí)現(xiàn)超細(xì)晶粒（UFG）結(jié)構(gòu)起著至關(guān)重要的作用，其微觀結(jié)構(gòu)特征可以同時(shí)提高SZ的強(qiáng)度和延性。事實(shí)證明，附加冷卻的FSW為SZ內(nèi)部形成超細(xì)晶粒（UFG）組織提供了一種有效的策略，特別是對于低層錯(cuò)能（SFE）的材料。從以往的研究回顧，可以很好地理解SFSW不僅可以有效地控制焊接溫度，還可以獲得SFE較低的DSSs UFG雙相結(jié)構(gòu)。因此，它可能更適合于連接對高溫敏感的DSSs。不過，到目前為止，對于DSSs的SFSW仍然沒有相關(guān)的研究。

在本研究中，南京航空航天大學(xué)沈以赴教授團(tuán)隊(duì)將侵沒式攪拌摩擦焊（SFSW）應(yīng)用于SAF2507超雙相不銹鋼（SDSS）上，與傳統(tǒng)攪拌摩擦焊相比，侵沒式攪拌摩擦焊（SFSW）能顯著削弱焊接熱循環(huán)。在攪拌區(qū)（SZ）形成了α相（α）和γ相（γ）分布均勻、均勻的超細(xì)晶粒（UFG）雙相組織，平均晶粒尺寸分別為0.96和0.77μm。這種獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致室溫下縱向攪拌區(qū)的抗拉強(qiáng)度和延伸率協(xié)同增強(qiáng)，從AFSW條件下的840 MPa ,18%提高到915 MPa, 22%。相關(guān)研究成果以題“Simultaneously enhanced strength-ductility synergy and corrosion resistance in submerged friction stir welded super duplex stainless steel joint via creating ultrafine microstructure”發(fā)表在金屬頂刊Journal of Materials Processing Technology上。

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

圖1實(shí)驗(yàn)配置：（a） SFSW和無線測溫系統(tǒng)原理圖，（b）用于微結(jié)構(gòu)表征和性能測試的樣品制備方法。注：法向、橫向和焊接方向分別定義為ND、TD和WD。

圖2空氣和水冷卻條件下攪拌摩擦焊的熱歷史分布圖。注：T0- t1 表示SAF2507 SDSSs在鐵素體和奧氏體之間的相變溫度范圍，用Jmatpro計(jì)算為627℃和1140℃。

圖3空氣和水中FSW SDSS接頭前后表面形貌：（a）和（c） AFSW，（b）和（d） SFSW。

圖4 （a） AFSW和（b） SFSW接頭在恒定轉(zhuǎn)速800轉(zhuǎn)/分、焊接速度50 mm/min下產(chǎn)生的截面圖，（c）-（d）分別在（a）和（b）中以點(diǎn)矩形標(biāo)記的兩個(gè)接頭AS上放大了TMAZ的OM圖像。

圖5接收后BM的EBSD結(jié)果：（a）反孔圖（IPF），（b）相圖，（c）晶界圖，（d） α相和γ相對應(yīng)的定向角分布。

圖6顯示AFSW和SFSW接頭典型區(qū)域的SEM顯微圖：（a） AFSW和（b） SFSW接頭的頂面

圖7不同冷卻條件下制備的CSZ的EBSD IPF、相分布和KAM圖：（a）-（c） AFSW，（d）-（e） SFSW。

圖8 TEM圖像顯示（a）-（b） BM，（c）-（d） AFSW和（e）-（f） SFSW接頭的位錯(cuò)密度。

圖9 （a） AFSW和（b） SFSW節(jié)理CSZ中的晶界圖，以及（c） α和（d） γ相對應(yīng)的晶界特征統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

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

圖11 （a）通過AFSW和SFSW處理的BM和焊縫的XRD譜圖，（b）根據(jù)XRD結(jié)果得到的各種反射，對風(fēng)冷和水冷zs中的α和γ相進(jìn)行Williamson-Hall圖和線性擬合。注：殘余應(yīng)力水平由斜率ε的值反映。

圖12采用（a） AFSW和（b） SFSW的整個(gè)橫截面節(jié)理顯微硬度分布云圖。

圖13風(fēng)冷和水冷條件下制備的BM、縱向SZs和橫向FSW接頭的拉伸性能：（a）和（c）工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線和斷裂位置，（b）和（d）相應(yīng)拉伸試樣的平均YS、UTS和El。插圖顯示了拉伸試樣的斷裂位置。

圖14兩種接頭BM和典型SZs的電化學(xué)結(jié)果：（a） PDP曲線，（b） Bode曲線

圖15浸泡腐蝕試驗(yàn)后AFSW和SFSW接頭中BM和SZs的激光掃描顯微圖：（a） BM。（b） AFSW，（c） SFSW。

圖16 70 wt. % Fe時(shí)的Fe- cr - ni偽二元相圖。

圖17拉伸變形過程中雙相微觀組織演變示意圖：（a） AFSW，（b） SFSW。

圖18帶有軟硬區(qū)域的AFSW和SFSW接頭模型示意圖。

（1）與SFSW相比，有流動(dòng)水的SFSW大幅降低了焊接峰值溫度從1077.5°C降低到783.7°C，表面氧化程度以及SZ和TMAZ區(qū)域的尺寸，導(dǎo)致焊接無缺陷。

（2）充分證明了SFSW有效地消除了α - γ之間不利的相變，同時(shí)促進(jìn)了分布更均勻的UFG雙相組織的形成。這些微觀結(jié)構(gòu)特征最終改善了整個(gè)SFSW接頭的腐蝕行為和硬度。縱向SZ的YS和UTS從840 MPa提高到915 MPa，從997 MPa提高到1072 MPa, El從18%提高到22%。結(jié)果表明，橫向SFSW節(jié)理結(jié)合全節(jié)理寬度減小的情況下，其強(qiáng)度和延性得到了較好的權(quán)衡，YS、UTS和El均略有提高。

（3）除了α的CDRX和γ的CDRX和DDRX的結(jié)合外，對晶粒生長的極大抑制同時(shí)促進(jìn)了SFSW SZ中UFG雙相組織的形成和晶粒細(xì)化效率的提高。

（4） SFSW中的晶界強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化顯著促進(jìn)了強(qiáng)度的增加，而較高的塑性主要是由均勻分布的由α和γ相組成的超細(xì)組織和相對較低的殘余應(yīng)力以及SZ和TMAZ等硬區(qū)尺寸減小引起的應(yīng)變硬化能力的增強(qiáng)。

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