奥氏体不锈钢盘管焊缝的凝固模式及固态相变组织

  奥氏体不锈钢盘管焊接接头的微观组织因其化学成分组成及含量的不同、凝固行为及随后在固态时的相变方式的不同而有所差别。大量实验研究表明，根据焊缝中Creq/Nieq的大小，其凝固行为大体可以分为以奥氏体为先析出相的模式和以铁素体为先析出相的模式，按其在液态时是否发生共晶或包/共晶相变，又可将其细分为A型、AF型、FA型和F型四种。依据奥氏体不锈钢盘管凝固时的先析出相及铁素体的存在形态，凝固组织通常呈现为完全奥氏体、奥氏体与共晶铁素体、奥氏体与骨架状铁素体、奥氏体与板条状铁素体、铁素体与魏氏奥氏体等。图4.1所示为奥氏体不锈钢盘管的铬镍当量比与凝固模式和伪二元相图的关系图。

A型凝固模式及完全奥氏体组织

  完全奥氏体是铬镍含量比较低(Creq/Nieq<1.25)的合金液在极高冷却速度的条件下凝固所得到的显微组织。在凝固开始初期，奥氏体晶粒首先依附于未熔化母材的边界处形核并快速向熔池中心长大。随着合金液的进一步冷却，由于固—液界面前沿的温度梯度大，减弱了固液界面前沿的容质再分配程度，因而固相与液相的分界面始终保持为较平直的平面向液相推进，而在相邻两晶粒的侧枝间隙中残留有大量的液相，随着温度的逐步降低，杂质元素及不同元素间形成的化合物会在晶粒边界处发生偏聚并析出，在较高温度下这些元素在奥氏体中的扩散能力受到限制而被保留下来，形成明显的偏析轮廓。其凝固模式示意图如图所示。

 AF型凝固模式及奥氏体与共晶铁素体组织

  以奥氏体为初始析出相的凝固(1.25< Creq/Nieq<1.48)终了前，由于奥氏体生成元素被大量消耗、铁素体生成元素在剩余液相合金及奥氏体晶粒间未凝固液相中偏聚，凝固过程转而会发生一系列的共晶反应，并形成一定数量的铁素体。这种凝固形式只是在合金液中有足够的铁素体形成元素（铬的钼）在亚晶界处偏聚的条件下才会发生。由于这种铁素体富含有较多的铁素体稳定元素Ni，能够稳定存在，因此在随后的冷却过程中不会再继续发生相变或分解而得以保留，而奥氏体晶粒呈现出方向性极强的树枝状或胞状生长。最终形成室温下奥氏体基体中分布少量共晶铁素体的显微组织。凝固模式示意图如图所示。

FA型凝固模式及骨架状和板条状铁素体组织

  FA和F型凝固模式的初生相均为δ铁素体。FA型凝固模式(1.48< Creq/Nieq<2.0)是以铁素体为先析出相，在液相尚未完全凝固前，通过包-共晶反应形成了一定数量的奥氏体，分布在铁素体凝固边界，随温度的降低，大部分初生铁素体通过固态相变转变为奥氏体，余下的少量铁素体则呈骨架状或板条状弥散分布于奥氏体基体中，共同构成最终的室温组织。此外，对这种凝固模式，还可能出现合金液开始凝固之初，先析出初生铁素体，之后随着液相的减少，在凝固结束前奥氏体开始结晶，打断初生铁素体的生成而进入残余熔融金属液和初生铁素体枝晶的间隙中，随着凝固和相变在一个较窄的温度范围结束，最终形成奥氏体包裹着骨架状或板条状铁素体的组织。凝固模式示意图如图所示。

  凝固初期，铁素体中因铬元素大量富集而优先析出，镍元素则扩散到周围金属液中，从而出现铁素体枝晶中心富铬而贫镍的情形。奥氏体在铁素体边界处形核并通过消耗初生铁素体而不断长大，镍、碳等强奥氏体生成元素随着奥氏体的大量生成而不断被消耗，出现贫化。直至液相完全凝固为固相，冷却到较低温度时此过程被阻断，而形成稳定的组织形态。此外，金属液中的溶质原子易在初生铁素体枝晶的侧枝根部聚集，抑制侧枝的生长，在流动金属液的持续冲刷下，侧枝根部逐渐变细直至发生颈缩而断裂，从主干上脱落进入到液相中，随着凝固过程的进行，最终转变为奥氏体晶粒。枝晶中心的铁素体在相变结束时，未能完全转变为奥氏体而被保留下来。即就是说，骨架状铁素体组织是枝晶状铁素体不完全相变的产物。而若在凝固初期，奥氏体就包裹着紧密排列的初生铁素体形成团簇状的两相共生组织，则在随后的降温过程中，由于铁素体的结晶难度增大，使得液相通过全奥氏体凝固模式直接凝固形成奥氏体。在固态相变时，因受到扩散条件的限制，铁素体向奥氏体转变的长程扩散受阻，转而进行紧密排列的板条形态铁素体间的短程扩散。随着奥氏体生成元素镍、碳等的消耗，部分初生铁素体转变成奥氏体。在这种情形下，铁素体与奥氏体满足一定的位相关系，铁素体在发生相变的同时，会沿着奥氏体的晶面转变成树枝状或平行状。当温度降低到一定程度时，铁素体向奥氏体的转变被完全阻止，而剩余的铁素体则会保留初始形态至室温，形成常见的奥氏体基体上分布着平行或缠结呈网状的板条铁素体组织。

F型凝固模式及组织

 对铬镍含量高(2.0< Creq/Nieq)的合金液，以较大的冷却速度凝固的过程中，由于冷却速度快、液相的停留时间短，初生铁素体来不及通过合金元素的扩散实现向奥氏体的转变，合金液从凝固开始至完全凝固结束，其组织均为δ铁素体。之后当合金温度降至铁素体固溶温度以下时，δ铁素体在固态下将发生相变，向奥氏体转变。奥氏体首先在铁素体的边界处形核长大。而且随着铬—镍含量比和冷却速度的增大，呈现出奥氏体的形成数量依次减少、铁素体的含量增大。在中等或相对高的冷却速度条件下，合金元素通过铁素体形成扩散通道进行一定程度的扩散，一部分铁素体将向奥氏体转变，另一方面，铁素体较多的铁素体转变成奥氏体，同时残留的稳定铁素体则针状形态存在于奥氏体形成的网络状基体中。最终形成室温下的连续奥氏体与铁素体的混合组织。若以很高的冷却速度凝固时，因相变温度偏低、冷却速度大，合金元素原子的扩散能力受到极大限制，使得相变仅能在很小范围内发生，仅有少量的铁素体发生相变转变为奥氏体。待冷却至室温时，形成沿铁素体晶界分布的魏氏体状奥氏体和晶界奥氏体组织。其凝固模式示意图如图所示。对于上述以奥氏体为先析出相的凝固方式而言，一方面因在凝固过程中由于奥氏体晶粒间夹有部分液相，易出现硫和磷等有害元素的大量富集，增大凝固裂纹及热裂的产生倾向，液相因受枝晶的阻隔，凝固时无法得到及时的补充而出现收缩裂纹等；另一方面，杂质的偏析、裂纹的存在、粗大的晶粒，不仅会降低奥氏体不锈钢盘管的机械性能，同时还对其耐腐蚀的性能产生极大的影响。对于一般的铸件，可通过后续热处理或其他手段予以消除；但对于奥氏体不锈钢盘管的焊接接头，由于多数情形下不便于进行热处理，从而会严重影响到接头的性能，因此焊接奥氏体不锈钢盘管时应采取相应的措施避免予以避免。

  以铁素体为先析出相的凝固模式，由于初生铁素体打乱了单一奥氏体晶柱生长时强烈的方向性，形成较复杂的两相组织，可有效阻止奥氏体晶界处形成贫铬层，减轻晶间腐蚀的程度；并且铁素体是富铬相，在后续奥氏体相变过程中可通过快速扩散向晶粒提供充足的铬原子，从而减少奥氏体晶粒内部贫铬层的数量，提升晶粒耐腐蚀的能力。同时，铁素体的存在也可大大减少焊接热裂纹及晶间偏析的形成倾向，因而从焊接冶金的角度来说，通过适当调整焊缝的化学成分配比，促使奥氏体不锈钢盘管焊缝熔池金属冷却时以铁素体为先析出相的模式凝固，即能提升接头的力学性能，又能得到耐腐蚀能力好的焊缝组织。