超纯铁素体不锈钢焊接接头晶间腐蚀规律及其机理研究

Ti-Nb stabilized ultra-pure ferritic stainless steels with ultra-low C, N content are one of the most crucial developing direction in stainless steels industry because they save Ni, Mo resources and lower the cost..However, the Cr-depleted zones along the grain boundary caused by the decomposition of carbides in the heat-affected zone (HAZ) and assisted by the high diffusion coefficient of the open structure of ferrite phase has restrained them from reliable service..This project intends to systematically study the microstructure evolution, intergranular corrosion sensitivity and the underlying mechanism in the welding heat treatment cycles of ultra-pure ferritic stainless steels..Based on the establishment of quantitative evaluation techniques of the intergranular corrosion of ultra-low ferritic stainless steels, this project will investigate the effects of heat inputs and cooling rates in the welding process on the evolution of carbides and nitrides which contain Nb, Ti and Cr along the grain boundary in the HAZ and their effects on the intergranular corrosion sensitivity..More than that, this project is going to elucidate the influence of heat cycle parameters on the intergranular corrosion by quantitatively analyzing the contribution of stabilizing elements like Nb and Ti in ultra-pure ferritic stainless steels with medium or low Cr contents, finding out the decomposition regularity of carbides and nitrides containing Nb and Ti in the welding heat treatment cycles, and explaining the rules and mechanisms that how the precipitations rich in Cr cause Cr-depleted zones along the grain boundary area..In the end, this entire project will offer precious guidance of real welding process and provide scientific proofs to help control the corrosion resistance property of weld joints of ultra-pure ferritic stainless steels.

钛、铌双稳定超低碳/氮超纯铁素体不锈钢因其镍、钼资源节约性与低成本优势成为不锈钢的重要发展方向之一。但由于铁素体开放结构引起的高扩散性，焊接热影响区的碳化物分解析出导致的晶间贫铬现象仍难以避免，成为限制其可靠服役的制约因素。本项目拟系统研究系列超纯铁素体不锈钢在焊接热循环中的组织演变、晶间腐蚀敏感性及机理。在建立超纯铁素体不锈钢定量晶间腐蚀评价技术的基础上，研究焊接过程中焊接热输入和冷速对焊接热影响区含铌、钛、铬碳氮化物析出相在近晶界区的演变规律及其对晶间腐蚀敏感性的影响，结合超纯中、低铬铁素体不锈钢中铌、钛稳定化元素的定量作用和焊接热循环中铌、钛碳氮化合物分解规律以及富铬相晶界析出导致晶界贫铬的规律与机制，阐明热循环参数对晶间腐蚀的影响规律，最终为指导工艺优化，控制超纯铁素体不锈钢焊接接头耐蚀性能提供科学依据。

相比于奥氏体不锈钢，铁素体不锈钢生产成本低、抗应力腐蚀性能优异。当含铬量在 15-70%，温度在 500-800℃时，不锈钢中存在的金属间化合物σ相或 C、N 化合物的析出直接引起铁素体不锈钢的晶间腐蚀，因此普通铁素体不锈钢在焊接或各种热处理条件下的使用具有较大的风险。铁素体不锈钢作为重要结构材料，不可避免的在使用中要经历焊接等高温热处理过程，由此造成的铁素体焊接接头的晶间腐蚀问题尤为严重，因而成为装备薄弱环节，制约着不锈钢结构的服役寿命与可靠性。因此，对铁素体不锈钢及其焊接接头晶间腐蚀的研究具有重要的实际应用价值。.本研究分别对长时间中温热处理的436L、445J2 超纯铁素体不锈钢（UPFSS），冷轧以及充氢处理的443UPFSS晶间腐蚀敏感性进行了研究，并结合多种合金组织表征手段研究清楚了三种不锈钢的晶间腐蚀机理。研究结果表明，1200℃的固溶处理可以消除Ti、Nb的稳定化作用，但是只能分解NbC而不能分解TiN，经过450-700℃敏化处理后的436L晶间腐蚀的发生机制是由于M23C6在晶界析出而引起的，而初步推测出445J2的晶间腐蚀是由析出相引起的弹性应力导致；分析了冷轧443晶界特征的演变与其在酸性溶液当中晶间腐蚀特性的关系，发现在还原性酸介质当中各类晶界的耐腐蚀性能直接与应力水平相关，与晶界类型关系不大，在氧化性酸介质当中，相比高角度晶界，低角度晶界具有更高的耐腐蚀性能，相比从变形前样品遗传下来的高角度晶界，冷轧过程新形成的高角度晶界具有较高的耐腐蚀性能；443冷轧并短时退火后，渗入合金的氢原子在氢陷阱处未达到饱和状态时，被捕获的氢原子填补了氢陷阱处的缺陷，导致缺陷周围的应力水平降低，应力的降低有利于不锈钢表面钝化膜中铬氧化物的生长，进而提高合金的晶间腐蚀抗力；氢原子在氢陷阱处达到饱和状态之后，过饱和氢不利于铬氧化物的生成，最终导致不锈钢晶间腐蚀敏感性增加。