双相不锈钢组织由铁素体(α)和奥氏体(γ)两相组成,兼有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的优点,具有优良的力学和耐蚀的综合性能,目前被广泛应用于石油化工、海洋、原浆和造纸、能源等行业。SAF2507是超级双相不锈钢的典型代表,具有更高的耐腐蚀性能,但是其生产成本比较高(含7%Ni)。本文尝试用低成本的锰和氮来代替镍,进行高锰氮超级双相不锈钢的开发。本论文从合金元素对超级双相不锈钢的组织、力学性能和耐腐蚀性能三个方面进行了系统的研究。通过采用差示扫描量热仪(DSC)、光学显微镜(OM)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和PAR273A电化学测试系统等分析仪器和手段,重点研究了合金元素Mn、N、Cu、Ni和W对这些双相不锈钢的组织、力学性能和耐腐蚀性能的影响规律。本文的主要研究结果如下:自主设计的新成分25Cr-2Ni-3Mo-xMn-N(x = 8, 10, 12)和25Cr-2Ni-3Mo- 10Mn-yN(y = 0.37, 0.42, 0.46)都由奥氏体-铁素体双相组织组成,在1050℃～1300℃温度区间,铁素体含量在45%～62%之间变化;随锰含量增加,机械强度和断裂延伸率都呈上升趋势,抗拉强度在900MPa以上,断裂延伸率在40%以上,屈服强度的变化不明显,在690MPa～710MPa之间波动;点蚀电位先上升后下降,分别为1100mV、1170mV和1070mV。随氮含量增加,机械强度、断裂延伸率和点蚀电位都增加,抗拉强度在800～1000MPa之间,屈服强度在600～750MPa之间,断裂延伸率在40%左右,点蚀电位分别为1040mV、1050mV和1160mV;氮提高了奥氏体相的耐蚀性能,当氮含量低的时候,点蚀坑发生在奥氏体相里面,当氮含量高的时候,点蚀坑发生在铁素体相里面。上述两组双相不锈钢的临界点蚀温度都大于60℃,耐腐蚀性能与SAF2507相当,力学性能优于SAF2507 ,同时具有低的生产成本和较佳的热加工性。代表成分为25Cr-2Ni-3Mo-10Mn-0.5N。单独添加铜可以改善25Cr-2Ni-3Mo-10Mn-0.5N的冲击韧性;单独添加钨对其影响不明显。随铜和钨复合添加含量的增加,抗拉强度和屈服强度变化不大,但断裂延伸率下降,点蚀电位降低。节钼型双相不锈钢25Cr-xNi-10Mn-0.9Mo-0.9Cu-0.9W-N(x=0.5, 1.3, 2.0)铁素体含量为35%～65%;随镍含量的增加,奥氏体含量增加;抗拉强度和屈服强度变化不明显,抗拉强度在870MPa左右,屈服强度在630MPa左右,但断裂延伸率增加,从35%增长到43%;镍通过控制相比例来影响耐蚀性能,随镍含量增加,点蚀电位先上升后下降,分别为415mV、665mV、386mV。当镍含量为1.3%时,具有较佳的综合性能。以钨代钼型25Cr-2Ni-xW-10Mn-N(x=1.5, 3.0, 4.5)双相不锈钢中铁素体含量为37%～60%。随钨含量增加,铁素体含量增加,抗拉强度变化不大,均保持在900MPa左右;屈服强度随钨含量的增加从580MPa上升到650MPa;断裂延伸率从47%降低到26%;钨可以提高耐点蚀性能。当钨含量为3.0%时,具有较佳的综合性能。自主设计的25Cr-xNi-10Mn-0.9Mo-0.9Cu-0.9W-N(x=0.5, 1.3, 2.0)和25Cr- 2Ni-xW-10Mn-N(x=1.5, 3.0, 4.5)双相不锈钢,具有强度高,成本低的优点。
