高氮奥氏体不锈钢搅拌摩擦焊接头组织控制与局部腐蚀行为研究

High nitrogen austenite stainless steel (HNS) with high strength, ductility and toughness is one kind of novel austenitic stainless steel. With nitrogen losses, blow holes and welding cracks in the welding joints, it is hard to achieve defect-free joints by fusion welding methods. However, the sound joints of HNS could be produced by friction stir welding (FSW) due to the solid-state nature of the FSW process. The severe plastic deformation and heat cycle of the material in the FSW process would affect the microstructure of the joints. Furthermore, the local corrosion resistance of the joints would be different from the base material. However, there is no report about the local corrosion behavior of the FSW joints for the HNS. In this study, the HNS will be welded by FSW. The joints were subjected to detailed microstructural investigation. The formation and distribution of the δ ferrite, the segregation of the N, Cr, Mn, Mo elements, and the precipitation of the nitrides on the grain boundaries in the FSW joints will be examined. The effect of these microstructural evolutions on the local corrosion behavior will be further investigated. The purposes are to elucidate the mechanism and controlling method of δ ferrite formation, element segregation, nitride precipitation, and calrify the mechanism for local corrosion of the FSW HNS joints and key influencing factors.

高氮奥氏体不锈钢（HNS）作为一种新型不锈钢，具有高强度、高韧性以及良好的抗腐蚀性能。在熔化焊过程中，N以气体形式逸出熔池，容易在焊缝产生气孔、热裂纹等缺陷，而采用搅拌摩擦焊接（FSW）可避免这些问题的产生，因而成为实现HNS高质量连接的理想选择。然而FSW过程中的剧烈塑性变形和高温使焊缝区微观结构发生显著变化，进而会影响HNS的点蚀、晶间腐蚀等局部腐蚀性能，但目前尚缺乏这方面的研究。本项目采用FSW对HNS进行焊接，分析焊接工艺对δ铁素体产生及分布的影响，探讨搅拌区主要合金元素Cr、Mn、Mo的偏聚机理及微观尺度下N的分布特点，同时，研究焊接温度场对晶界氮化物析出的影响机制；进一步探讨这些微观组织变化对接头局部腐蚀性能的影响规律。通过这些研究，阐明在FSW过程中δ铁素体、合金元素偏聚以及氮化物的形成机理及调控方法，揭示HNS的FSW接头局部腐蚀机理及关键影响因素。

高氮奥氏体不锈钢（HNS）作为一种新型不锈钢，具有高强度、高韧性以及良好的抗腐蚀性能。在熔化焊过程中，N以气体形式逸出熔池，容易在焊缝产生气孔、热裂纹等缺陷，搅拌摩擦焊接（FSW）可避免这些问题的产生，得到性能良好的高氮奥氏体不锈钢（HNS）接头。然而FSW过程中的剧烈塑性变形和高温使焊缝区微观结构发生显著变化，进而会影响HNS的点蚀、晶间腐蚀等局部腐蚀性能，目前尚缺乏这方面的研究。本项目采用国际主流的两种焊接工具（PCBN、W-25Re）对HNS进行了焊接。采用PCBN工具焊接HNS时焊接工艺窗口狭窄，并且焊接工具易断裂。W-25Re工具虽然焊接略有磨损，但焊接工艺窗口相对较宽泛，接头组织良好。本项目主要采用W-25Re工具对HNS进行焊接，并分析接头的抗腐蚀性能。研究发现，焊核区夹杂破碎、重溶以及焊核区细小的晶粒共同导致焊核区具有较好的抗点蚀能力。焊核部分区域发生了铁素体相变，形成条带组织。同时，工具磨损产生的磨屑也会形成条带状组织。在较高热输入量下，铁素体中合金元素扩散较为充分，铁素体组织易发生点蚀；而较低热输入量下，工具磨损加剧，磨损带易发生点蚀。但铁素体条带与磨损带均易发生晶间腐蚀，其中铁素体腐蚀与元素的分布相关，而磨损带的腐蚀是与基体电位差所造成的。接头热机影响区较高的应变以及析出相导致其耐点蚀能力下降。接头热影响区没有出现严重敏化现象，由于搅拌摩擦焊接较低的热输入量，氮化物的含量与尺寸均十分有限，故其电化学结果和点蚀以及晶间腐蚀的浸泡结果与母材相似，对接头耐蚀性的影响较小。