热处理对复合板焊接接头中316L不锈钢焊缝组织及耐蚀性的影响

, , ,,杜楠,

(1. 中国石油塔里木油田，库尔勒 841000； 2. 沈阳中科腐蚀控制工程技术中心，沈阳 110016)

由碳钢与奥氏体不锈钢构成的复合材料(复合管/板)有效结合了不锈钢的耐蚀性和碳钢的低成本优势，被广泛应用于核电站设备、蒸汽发电厂及石油化工行业中[1]。焊接是该复合材料常用的加工方式。由于焊接接头的成分、组织，应力状态相对于母材发生了明显改变，因此其耐蚀性也明显降低，而焊接接头的耐蚀性决定了复合材料的耐蚀性和设备的使用寿命。通常情况下，复合材料焊接后，要对焊缝进行一次去应力热处理；此外，如存在焊接缺陷，要对焊缝进行补焊修复及与二次热处理(处理工艺与去应力热处理工艺相同)。如果热处理工艺选择不当，极易使奥氏体不锈钢产生敏化，导致晶间腐蚀及应力腐蚀开裂，从而严重降低了材料的耐蚀性，给设备的安全使用带来隐患[2]。因此，研究热处理工艺对焊接接头组织成分和耐蚀性的影响是十分必要的。

1 试验

1.1 试样制备

试验材料为由Q345碳钢和316L不锈钢组成的复合板，按表1所示工艺对其进行焊接。为模拟实际加工过程中复合板焊接接头的一次热处理和修复过程中的二次热处理，分别对焊接接头试样进行了一次热处理，二次热处理，热处理工艺参数如图1

表1 复合板的焊接工艺参数Tab. 1 Parameters of welding process for composite plate

图1 复合板焊接接头的热处理工艺Fig. 1 Process of heat treatment for welded joint of composite plate

所示。从复合板焊接接头处，采用线切割方法将316L不锈钢焊缝区从母材上分离出来，然后依据GB/T 4334-2008《金属和合金的腐蚀 不锈钢晶间腐蚀试验方法》、GB/T 20972.3-2008《石油天然气工业油气开采中用于含硫化氢环境的材料 第3部分 抗开裂耐蚀合金和其他合金》标准，制备金相试样和腐蚀试样。

1.2 组织观察与腐蚀性能评价

为了检验不锈钢的晶间腐蚀敏感性，根据GB/T 4334-2008标准中的硫酸-硫酸铜方法对不同方式热处理后316L不锈钢焊缝进行了晶间腐蚀试验。晶间腐蚀试验中，采用5 mm压头对腐蚀试样进行180°弯曲。

按照GB/T 20972.3-2008标准，对不同方式热处理后316L不锈钢焊缝进行应力腐蚀试验。应力腐蚀试验中采取4点弯梁试验方法，试样尺寸为120 mm×20 mm×3 mm，试验时间为720 h。

采用ZEISS-Axio Observer A1m型光学显微镜对不同方式热处理后316L不锈钢焊缝的组织、晶间腐蚀试验和应力腐蚀开裂试验后试样的腐蚀形貌进行观察。

2 结果与讨论

2.1 热处理对316L不锈钢焊缝组织的影响

由图2(a)可以看出：相对于316L不锈钢板单一的奥氏体组织，未经热处理的316L不锈钢焊缝主要由奥氏体和铁素体两相构成；灰白色枝晶为奥氏体基体，晶粒尺寸大小均匀，在10～20 μm，不存在轧制板材组织中明显的晶粒取向；黑灰色的铁素体以非连续网状分布在奥氏体枝晶间，呈现出典型的316L不锈钢的焊缝组织特征，母材与焊缝组织差异明显。

由图2(b)可以看出：相对于未热处理的316L不锈钢焊缝组织，一次处理后焊缝组织没有明显变化，仍由奥氏体+条状铁素体构成，晶粒尺寸和分布也与未热处理的316L不锈钢焊缝相似。

由图2(c)可以看出：经过二次热处理后，316L不锈钢焊缝的组织主要是奥氏体+条状铁素体，与未热处理和一次热处理后的相似，但是奥氏体晶界处有大量的黑色碳化物生成。这些碳化物主要是Cr23C6[3-4]。

由以上试验可知：316L不锈钢焊缝经二次热处理后，在奥氏体晶界析出了大量黑色碳化物Cr23C6。这些碳化物的形成将使奥氏体晶界的铬元素含量减低，形成晶界贫铬区，贫铬区的形成是316L不锈钢局部腐蚀加重的主要原因之一[5-6]。

(a) 未热处理 (b) 一次热处理 (c) 二次热处理 图2 复合板焊接接头处316L不锈钢焊缝的显微组织Fig. 2 Microstructure of 316L stainless steel weld in the welded joint of composite plate: (a) without heat treatment; (b) heat treatment for once; (c) heat treatment for twice

2.2 热处理对316L不锈钢焊缝耐蚀性的影响

2.2.1 晶间腐蚀

由图3可以看出：晶间腐蚀试验后，未热处理和一次热处理的316L不锈钢焊缝表面均未出现裂纹，而二次热处理的316L不锈钢焊缝表面出现了多处1～4 mm宽的裂纹。由晶间腐蚀试验后316L不锈钢焊缝的腐蚀形貌可见，二次热处理增加了316L不锈钢焊缝的晶间腐蚀倾向。

(a) 未热处理 (b) 一次热处理 (c) 二次热处理 图3 晶间腐蚀试验后316L不锈钢焊缝表面的腐蚀形貌(10×)Fig. 3 Corrosion morphology of 316L stainless steel weld surface after intergranular corrosion test: (a) without heat treatment; (b) heat treatment for once; (c) heat treatment for twice

2.2.2 应力腐蚀

由图4可以看出：应力腐蚀试验后，未热处理的316L不锈钢焊缝表面出现轻微腐蚀，无应力腐蚀开裂现象；一次热处理的316L不锈钢焊缝表面虽然有裂纹存在，但裂纹平整，无枝状延展，边缘无腐蚀产物，呈现非应力腐蚀特征；二次热处理的316L不锈钢焊缝表面腐蚀严重，表面有交错裂纹存在，局部裂纹处可见腐蚀产物，存在应力腐蚀断裂。可见，二次热处理增加了316L不锈钢焊缝的应力腐蚀开裂倾向。

(a) 未热处理 (b) 一次热处理 (c) 二次热处理 图4 应力腐蚀试验后316L不锈钢焊缝表面的腐蚀形貌(40×)Fig. 4 Corrosion morphology of 316L stainless steel weld surface after stress corrosion test: (a) without heat treatment; (b) heat treatment for once; (c) heat treatment for twice

2.3 讨论

奥氏体不锈钢在450～850 ℃时，会在奥氏体晶界析出Cr23C6，产生贫铬区，降低腐蚀产物膜的保护性能，造成奥氏体不锈钢的局部腐蚀[7-8]。根据腐蚀介质和应力条件的不同，奥氏体不锈钢表现为晶间腐蚀，点蚀，应力腐蚀开裂。因此，长期高温导致的贫铬区是发生上述腐蚀的根本原因。图5给出加热温度、保温时间与晶间腐蚀(也可以理解为贫铬区)的相互关系[7]，可见适当的温度和充足时间分别是产生贫铬区的热力学条件和动力学条件。

图5 加热温度和保温时间对晶间腐蚀的影响Fig. 5 Effects of heating temperature and heating time on intergranular corrosion

本试验采用的热处理保温温度约为600 ℃，正好处450～850 ℃的“危险温度区间”，满足了贫铬区产生的热力学条件，如果获得充足的保温时间以满足动力学条件，不锈钢焊缝将产生贫铬区。显微组织观察表明，经过二次热处理的316L不锈钢焊缝在其奥氏体晶界出现了大量析出的Cr23C6，造成了晶间贫铬区，使这一区域的Cr2O3腐蚀产物膜的保护性能下降[9-13]。因此，腐蚀试验中，二次热处理的316L不锈钢焊缝表现出更大的晶间腐蚀和应力腐蚀开裂的趋势。反之，当试验仅具备贫铬区产生的热力学条件而不具备相应的动力学条件，即没有充足的保温时间时，碳原子和铬原子不能充分扩散，不锈钢焊缝中不会产生贫铬区。腐蚀试验中，一次热处理的316L不锈钢焊缝微观组织与未热处理的没有明显的变化，没有出现贫铬区，发生晶间腐蚀和应力腐蚀开裂的趋势相对较小。综上，在敏化温度区间内对316L不锈钢焊缝进行热处理将增加晶间腐蚀和应力腐蚀开裂的风险，但合理控制热处理时间可以将这一风险控制到最低程度。

3 结论

(1) 经一次热处理的316L不锈钢焊缝组织与未热处理的没有明显区别，经二次热处理的316L不锈钢焊缝在其奥氏体晶界处有Cr23C6析出，并形成了贫铬区。

(2) 与一次热处理的316L不锈钢焊缝相比，经过二次热处理的316L不锈钢焊缝，其晶间腐蚀和应力腐蚀开裂倾向增加。

(3) 在敏化温度区间内，对316L不锈钢焊缝进行热处理时，保温时间不宜超过1 h。

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