尚 峰，王智勇，喬 斌，賀毅強(qiáng)，李化強(qiáng)

江蘇海洋大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 連云港 222005

對(duì)海洋工程用金屬材料普遍要求具有高耐蝕性、高強(qiáng)度、高韌性、高疲勞性能等特征，UNS S32750超級(jí)雙相不銹鋼具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，被廣泛應(yīng)用于海洋工程裝備[1]。采用鑄造工藝制備該鋼種時(shí)，晶粒尺寸較大影響力學(xué)性能，無(wú)法進(jìn)行有效的超聲波探傷；采用鍛造-熱軋工藝制備該鋼種時(shí)，容易產(chǎn)生裂紋。采用熱等靜壓成形技術(shù)可獲得完全致密的雙相不銹鋼，能夠細(xì)化晶粒，消除或減少成分偏析與組織偏析，從而獲得均勻的合金成分及N元素分布，還可以近終成形制備鑄鍛方法難以制造的雙相不銹鋼制品[2]。熱等靜壓成形對(duì)粉末的純凈度要求較高，氮?dú)忪F化法制備的粉末的缺點(diǎn)是粉末批次穩(wěn)定性差，容易生成衛(wèi)星粉和空心粉，粉末O含量高，不利于粉末成形件的性能，由于坩堝的污染，粉末雜質(zhì)含量較高，粉末純凈度較低，細(xì)粉收得率低，粉末價(jià)格較貴。等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉由于沒(méi)有坩堝的污染，所以粉末雜質(zhì)元素含量極低，可生產(chǎn)出流動(dòng)性好、N含量高、O含量極低、球形度優(yōu)良的含氮不銹鋼球形粉末，用于滿(mǎn)足粉末注射成形、熱等靜壓、金屬增材制造等粉末冶金成形件的需求。

近年來(lái)，超級(jí)雙相不銹鋼焊接性及配套焊接材料[3?4]、耐海洋微生物腐蝕的抗菌超級(jí)雙相不銹鋼[5?6]、超級(jí)雙相不銹鋼有害相的析出規(guī)律及其對(duì)性能的影響[7?9]、超級(jí)雙相不銹鋼鑄鍛成形工藝及性能[10?11]成為研究熱點(diǎn)。在Ni價(jià)波動(dòng)變化大時(shí)，開(kāi)發(fā)Ni含量低且不含貴重元素Mo或僅含少量Mo且以Mn、N代Ni的經(jīng)濟(jì)型超級(jí)雙相不銹鋼也是雙相不銹鋼的發(fā)展動(dòng)態(tài)之一。精確調(diào)控粉末冶金雙相不銹鋼α和γ兩相比例一直是個(gè)難點(diǎn)[12?14]。本文采用等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化-熱等靜壓工藝，制備了UNS S32750超級(jí)雙相不銹鋼，研究了熱等靜壓UNS S32750超級(jí)雙相不銹鋼固溶處理前后的顯微組織和力學(xué)性能。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

旋轉(zhuǎn)電極霧化用UNS S32750超級(jí)雙相不銹鋼電極棒從芬蘭奧托昆普公司采購(gòu)，利用等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化設(shè)備將UNS S32750超級(jí)雙相不銹鋼電極棒加工成?60 mm × 700 mm尺寸后在氬氣氣氛下霧化成粉末，粉末的化學(xué)成分如表1所示。圖1為霧化得到的粉末形貌。篩分后用于熱等靜壓的粉末D50為87 μm，粉末球形度好，表面光潔，無(wú)衛(wèi)星粉。由于等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化高溫加熱、快速冷卻的特點(diǎn)，霧化后粉末為鐵素體相。霧化后N質(zhì)量分?jǐn)?shù)由霧化前的0.27%下降到0.20%，霧化后O質(zhì)量分?jǐn)?shù)由霧化前的0.0037%增加到0.0057%。經(jīng)過(guò)熱等靜壓和固溶處理之后，N、O含量沒(méi)有變化。將霧化粉末放入低碳鋼包套后抽真空封焊，采用美國(guó)AIP10-30H熱等靜壓燒結(jié)爐，在150 MPa壓力下，1200 ℃ × 3 h熱等靜壓燒結(jié)，隨爐緩冷取出燒結(jié)件，機(jī)加工去除包套，將燒結(jié)件在不同溫度固溶處理后水淬。根據(jù)UNS S32750超級(jí)雙相不銹鋼的相圖可以確定出現(xiàn)液相的溫度約為1380 ℃，與無(wú)壓燒結(jié)相比，熱等靜壓燒結(jié)可以降低燒結(jié)溫度，所以選擇熱等靜壓燒結(jié)溫度為1200 ℃。金相試樣采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%草酸溶液進(jìn)行電解侵蝕，侵蝕電壓7 V，侵蝕時(shí)間25 s。采用Axio Vert.A1蔡司金相顯微鏡觀(guān)察試樣顯微組織，并利用Image-Pro Plus 6.0軟件分析金相照片中σ相含量（面積分?jǐn)?shù)）。通過(guò)ZEISS ULTRA55和JSM-6390LA掃描電鏡觀(guān)察粉末及斷口表面形貌。使用FEI Quanta 650F場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡上配備的EDAX公司OIM4000EBSD分析系統(tǒng)對(duì)試樣進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。采用WDW-10E微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)量試樣力學(xué)性能。通過(guò)LECO ONH836氧氮?dú)浞治鰞x檢測(cè)粉末和燒結(jié)件的氮、氧含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。使用DH-300X電子比重計(jì)測(cè)量燒結(jié)件密度。利用JMatPro軟件模擬雙相不銹鋼相圖，預(yù)測(cè)固溶處理溫度。

表1 UNS S32750雙相不銹鋼粉末化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical composition of the UNS S32750 duplex stainless steel powders %

圖1 等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化粉末形貌Fig.1 Morphology of the plasma rotating electrode atomized powder

圖2為用JMatPro軟件模擬的N質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的UNS S32750雙相不銹鋼相圖，從圖中可以看出，要想獲得體積比1:1的α和γ兩相，所需固溶溫度范圍為1000～1100 ℃，σ相的溶解溫度約為1020 ℃。本實(shí)驗(yàn)選取1000、1035、1070、1100 ℃四個(gè)溫度對(duì)N質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的熱等靜壓UNS S32750雙相不銹鋼進(jìn)行固溶處理，研究固溶溫度對(duì)α和γ兩相體積比的影響。表2所示為UNS S32750雙相不銹鋼熱處理工藝。

圖2 JMatPro模擬的UNS S32750雙相不銹鋼相圖Fig.2 Phase diagram of the UNS S32750 duplex stainless steels simulated by JMatPro software

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

圖3為不同固溶處理試樣的金相組織。由圖可知，爐冷后的S1試樣在α和γ晶界處有少量σ相析出，σ相面積分?jǐn)?shù)約為3.8%；1000 ℃×1 h水淬的S2試樣也有σ相析出，σ相面積分?jǐn)?shù)約為6.3%；1035 ℃ × 1 h水淬的S3試樣未發(fā)現(xiàn)σ相析出，更高固溶處理溫度的S4和S5試樣也未發(fā)現(xiàn)σ相，說(shuō)明N質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的UNS S32750雙相不銹鋼的σ相溶解溫度約為1035 ℃。隨著固溶溫度的升高，α含量（體積分?jǐn)?shù)）逐漸增多；在1035～1070 ℃溫度區(qū)間，α含量沒(méi)有變化；在1100 ℃固溶后，α體積分?jǐn)?shù)增加到71%。綜上所述，N質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的UNS S32750燒結(jié)雙相不銹鋼的理想固溶溫度在1035～1070 ℃之間。

圖3 不同固溶處理試樣金相組織：（a）S1；（b）S2；（c）S3；（d）S4；（e）S5Fig.3 Microstructure of the specimens after the different solution treatments: (a) S1; (b) S2; (c) S3; (d) S4; (e) S5

圖4為S1試樣的電子背散射衍射組織，表3為不同固溶處理試樣中α和γ的兩相體積比。由于合金元素在α基體中的擴(kuò)散速度比在γ基體中快100倍以上，故雙相不銹鋼在熱加工和服役條件下易在α相中析出σ相[15]。王曉峰[16]測(cè)定了UNS S32750雙相不銹鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)（continuous cooling transformation，CCT），發(fā)現(xiàn)在冷卻過(guò)程中要以大于80 ℃/min的冷卻速率通過(guò)600～1000 ℃區(qū)域，才能避免σ相析出。在熱等靜壓爐冷過(guò)程中，由于冷卻速度只有6.7 ℃/min，σ相在α與γ相界處形核并向α晶粒內(nèi)部長(zhǎng)大。

表3 不同固溶處理試樣中α和γ兩相體積比Table 3 Volume ratio of α and γ phases in the specimens after the different solution treatments

圖4 S1試樣電子背散射衍射組織Fig.4 Electron back scattering diffraction images of the S1 sample

2.2 力學(xué)性能

表4為不同加工工藝試樣的力學(xué)性能，S1試樣由于在爐冷過(guò)程中有σ相析出，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較高，硬度明顯高于S3試樣，但硬而脆的σ相導(dǎo)致室溫沖擊吸收功只有8J；S3試樣經(jīng)過(guò)1035 ℃ ×1 h固溶處理后，硬度明顯降低，室溫沖擊吸收功提高到236 J。熱等靜壓工藝能夠細(xì)化晶粒，消除或減少成分偏析與組織偏析，從而獲得均勻的合金成分及氮元素的分布，還可獲得較高的燒結(jié)密度，1200 ℃燒結(jié)后燒結(jié)件相對(duì)密度為99.7%，因此等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化-熱等靜壓工藝制備的UNS S32750超級(jí)雙相不銹鋼性能優(yōu)于鑄態(tài)性能。圖5為S1和S3試樣的拉伸斷口形貌，均為韌性斷裂斷口特征。圖6為S1和S3試樣的沖擊斷口形貌，S1試樣存在明顯的解理斷裂形貌，為脆性斷裂；S3試樣存在均勻分布的微小韌窩，為韌性斷裂。

圖5 不同固溶處理工藝試樣拉伸斷口形貌：（a）S1；（b）S3Fig.5 Tensile fracture morphology of the specimens after the different solution treatments: (a) S1; (b) S3

圖6 不同固溶處理工藝試樣沖擊斷口形貌：（a）S1；（b）S3Fig.6 Impact fracture morphology of the specimens after the different solution treatments: (a) S1; (b) S3

表4 不同加工工藝試樣的力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of the specimens treated by the different processing technologies

3 結(jié)論

（1）采用等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉和熱等靜壓制備出UNS S32750超級(jí)雙相不銹鋼，經(jīng)1200 ℃，3 h，150 MPa熱等靜壓燒結(jié)后，相對(duì)密度為99.7%。

（2）熱等靜壓后（固溶前）顯微組織是α + γ +σ，由于緩冷過(guò)程中有σ相析出，導(dǎo)致韌性顯著下降；經(jīng)1035 ℃ × 1 h固溶處理后水淬，σ相完全溶解，韌性顯著提高，顯微組織為α和γ兩相組織，體積比為65:35，抗拉強(qiáng)度791 MPa，屈服強(qiáng)度586 MPa，斷后伸長(zhǎng)率38%，沖擊吸收功236 J。