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  2. 南京航空航天大學:提高超雙相不銹鋼焊接接頭的強度、延展性和耐腐蝕性能!
    2022-06-16 15:19:36 作者:材料學網 來源:材料學網 分享至:

     導讀:本文將侵沒式攪拌摩擦焊(SFSW)應用于SAF2507超雙相不銹鋼(SDSS)上,與傳統攪拌摩擦焊相比,侵沒式攪拌摩擦焊(SFSW)能顯著削弱焊接熱循環。在攪拌區(SZ)形成了α相(α)和γ相(γ)分布均勻、均勻的超細晶粒(UFG)雙相組織,平均晶粒尺寸分別為0.96和0.77μm。這種獨特的微觀結構導致室溫下縱向攪拌區的抗拉強度和延伸率協同增強,從AFSW條件下的840 MPa ,18%提高到915 MPa, 22%。此外,這種UFG雙相微觀結構在決定最終獲得更高的耐腐蝕性能方面起著至關重要的作用。此外,與傳統的FSW接頭相比,整個接頭相對較低的殘余應力實際上有助于增加SFSW接頭的延展性。上述結果表明,在SFSW過程中實現整個SZ的完全平衡的UFG微觀結構,并同時提高強度、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)具有更穩定的雙相結構,鐵素體(α)和奧氏體(γ)的比例幾乎相等,表現出更優越的力學性能和優良的耐腐蝕性能,從而使它們主要應用于各種領域中更惡劣的環境,如石油化工、核、海水淡化和海洋工業。不幸的是,使用傳統的熔焊獲得高質量的DSSs接頭確實是一項具有挑戰性的任務,這很容易導致一些冶金問題,如不適當的相平衡、嚴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,從而嚴重惡化了由此產生的力學性能和耐腐蝕性能接頭。

    作為一種固態焊接技術,攪拌摩擦焊普遍缺乏焊接材料的熔化和凝固過程。因此,它在實現高質量DSSs接頭方面自然表現出了明顯的優勢,這是由于其內在的優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,這種明顯的微觀結構非均勻性沿著SZ的厚度發展,被發現強烈影響由此產生的接頭的機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,整個接頭發生變形,既要有高強度又要有突出的延性。因此,應進一步降低攪拌摩擦焊的熱循環。

    此前的研究表明,由于水的吸熱能力強,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時間的高效方法,從而在各種材料中實現高質量的接頭,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,并發現了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鋁合金進行了SFSW工藝。他們發現,粗化和溶解的可以有效抑制AFSW過程中焊接熱循環引起的強化析出物,從而在相對較高的焊接速度下獲得優異的拉伸性能。

    與空冷FSW接頭相比,水下焊接接頭表現出更好的抗拉性能機械響應同時增強了極限抗拉強度和伸長率。同時,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力,進一步提高了攪拌摩擦焊接頭的疲勞強度。Zhang和Liu采用SFSW提高可熱處理鋁合金的接頭強度,最終通過優化焊接獲得了360 MPa的更高抗拉強度。結果表明,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現超細晶粒(UFG)結構起著至關重要的作用,其微觀結構特征可以同時提高SZ的強度和延性。事實證明,附加冷卻的FSW為SZ內部形成超細晶粒(UFG)組織提供了一種有效的策略,特別是對于低層錯能(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雙相結構。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仍然沒有相關的研究。

    在本研究中,南京航空航天大學沈以赴教授團隊將侵沒式攪拌摩擦焊(SFSW)應用于SAF2507超雙相不銹鋼(SDSS)上,與傳統攪拌摩擦焊相比,侵沒式攪拌摩擦焊(SFSW)能顯著削弱焊接熱循環。在攪拌區(SZ)形成了α相(α)和γ相(γ)分布均勻、均勻的超細晶粒(UFG)雙相組織,平均晶粒尺寸分別為0.96和0.77μm。這種獨特的微觀結構導致室溫下縱向攪拌區的抗拉強度和延伸率協同增強,從AFSW條件下的840 MPa ,18%提高到915 MPa, 22%。相關研究成果以題“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實驗配置:(a) SFSW和無線測溫系統原理圖,(b)用于微結構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接頭在恒定轉速800轉/分、焊接速度50 mm/min下產生的截面圖,(c)-(d)分別在(a)和(b)中以點矩形標記的兩個接頭AS上放大了TMAZ的OM圖像。

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


    圖6顯示AFSW和SFSW接頭典型區域的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接頭的位錯密度。


     圖9 (a) AFSW和(b) SFSW節理CSZ中的晶界圖,以及(c) α和(d) γ相對應的晶界特征統計結果。


    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XRD結果得到的各種反射,對風冷和水冷zs中的α和γ相進行Williamson-Hall圖和線性擬合。注:殘余應力水平由斜率ε的值反映。


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


    圖13風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)工程應力-應變曲線和斷裂位置,(b)和(d)相應拉伸試樣的平均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的電化學結果:(a) PDP曲線,(b) Bode曲線


    圖15浸泡腐蝕試驗后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帶有軟硬區域的AFSW和SFSW接頭模型示意圖。

    (1)與SFSW相比,有流動水的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區域的尺寸,導致焊接無缺陷。

    (2)充分證明了SFSW有效地消除了α - γ之間不利的相變,同時促進了分布更均勻的UFG雙相組織的形成。這些微觀結構特征最終改善了整個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%。結果表明,橫向SFSW節理結合全節理寬度減小的情況下,其強度和延性得到了較好的權衡,YS、UTS和El均略有提高。

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

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

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