雙相不銹鋼的發(fā)展歷史及應用前景

 雙相不銹鋼的發(fā)展與應用最早是在二十世紀30年代開始的，法國獲得了第一個發(fā)明專利。發(fā)展至今，雙相不銹鋼已經(jīng)經(jīng)歷了三代。第一代雙相不銹鋼是美國二十世紀40年代開發(fā)的代表牌號329鋼，這種鋼通常只用于生產(chǎn)鑄鍛件，它的特點是雖然鉻、鉬含量高，但碳含量也很高，容易導致焊接性能差，焊接時易沿晶界析出碳化物，晶界碳化物影響鋼的耐蝕性和韌性，所以這種鋼在焊后需要進行熱處理才能使用。隨著不銹鋼的發(fā)展，上世紀50年代，一些國家研發(fā)了一批新的鋼種如：前蘇聯(lián)的穩(wěn)定鈦的08X21H5T和08X21H6M2T鋼、德國的1.458Z鋼，法國的Urnnus50鋼、英國的Ferralium255鋼和日本的329J1鋼，，這些鋼種提高了雙相不銹鋼的焊接性能，其中代表3RE60鋼，為瑞典在二十世紀60年代中期開發(fā)的，其含碳量超低，含鉻量為18%，焊接及成型性能良好，作為耐氯離子應力腐蝕材料而廣泛使用。隨著精煉技術(shù)的發(fā)展，超低碳鋼可以很容易的被冶煉出，從而開發(fā)出第二代雙相不銹鋼。

 第二代雙相不銹鋼中，氮元素作為主要合金元素之一被廣泛應用，氮元素的添加不僅促進了奧氏體相形成，從而避免加工過程中尤其是焊接時焊接熱影響區(qū)過熱導致的鐵素體相含量升高，兩相比例失衡的問題，而且氮元素的添加使得雙相不銹鋼的耐腐蝕性能明顯提高。SAF2205為第二代雙相不銹鋼的典型代表，其PREN值較高，約為32~36，在許多情況下，該類雙相不銹鋼是有很大經(jīng)濟效益的不銹鋼金屬材料，從而應用也是最為廣泛。

 第三代雙相不銹鋼是超級雙相不銹鋼，是在二十世紀80年代后期開發(fā)的。第三代雙相不銹鋼含碳量極低（C 0.01%~0.02%），屬于超低碳，鉬和氮含量高，部分鋼中還加入鎢、銅，PREN值很高，大于40，典型鋼種有S32750、S32760（Zeron100）、S32550、S32906、DP3、UR52N等，具有極高的耐氯化物應力腐蝕、耐點蝕等性能等，可以用于非常惡劣的腐蝕環(huán)境中，適合在氯離子和含硫化氫的腐蝕環(huán)境下應用。

 雙相不銹鋼可分為兩大類，一類是以鐵素體為基的Cr-Ni系雙相不銹鋼，另一類是以奧氏體為基的Cr-Mn-N系雙相不銹鋼[18]。鐵素體-奧氏體不銹鋼也稱雙相不銹鋼（Duplex Stainless Steel，簡稱DSS），其固溶組織中含有相同比例的鐵素體和奧氏體兩相組織，而且兩相比例中最少相所占體積分數(shù)不得低于30%。由于具有奧氏體和鐵素體雙相組織結(jié)構(gòu)，因而雙相不銹鋼兼有奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的特點。

 雙相不銹鋼作為新興鋼材的一種典型代表，經(jīng)歷了近一個世紀的研究與發(fā)展，至今雙相不銹鋼已經(jīng)發(fā)展了三代。二十世紀三十年代，第一批次雙相不銹鋼以鍛軋的方式被生產(chǎn)出來，獲得了一定的成功。經(jīng)過近十年的發(fā)展，出現(xiàn)了牌號為AISI329和3RE60典型代表的第一代雙相不銹鋼。和傳統(tǒng)不銹鋼相比，第一代雙相不銹鋼的物化性能雖有大幅度地提升，但其焊接方面仍存在很多問題，在焊接熱影響區(qū)易出現(xiàn)單相鐵素體組織，導致耐應力腐蝕及晶間腐蝕性能下降。因而第一代雙相不銹鋼的應用發(fā)展受到了很大的限制，以致使其多用于非焊接狀態(tài)工作條件下。

 經(jīng)過二十余年的研究與發(fā)展，隨著不銹鋼精煉技術(shù)AOD（Argon Oxygen Decarburization），即氬氧脫碳工藝的發(fā)明和應用，隨之便出現(xiàn)了第二代雙相不銹鋼。該工藝實現(xiàn)了合金滲氮，使雙相不銹鋼焊接接頭的韌性性能大大提高，且Ｎ元素的加入改善了焊縫處的力學性能和促進形成雙相組織，保證焊縫鐵素體和奧氏體基本達到50％的雙相平衡，甚至能夠達到與母材一樣的性能，從而拓寬了雙相不銹鋼的應用領(lǐng)域。由于其具有的高強度特性，在很大程度上使其壁厚得到了有效地降低，以致在保證性能要求滿足的前提下，既減輕了裝置重量又使生產(chǎn)成本得到降低。

 20世紀80年代，由于工業(yè)的快速發(fā)展，對材料的綜合性能提出了更高的要求，尤其是在深海油氣海洋環(huán)境、核能核電和高溫高壓條件下，要求材料具有更高的強韌性和抗高溫蠕變等性能[33]。因此第三代雙相不銹鋼隨之出現(xiàn)，即超級雙相不銹鋼。第三代雙相不銹鋼是在第二代的基礎上，嚴格控制了雙相不銹鋼母材中合金元素的含量，其中碳元素含量是0.01～0.03%，鉬和氮元素的含量分別為1～4%和0.1～0.4%，雙相不銹鋼母材的微觀組織中奧氏體相所占的體積分數(shù)約50%，使得材料的綜合性能大大提高。目前雙相不銹鋼己是一個成熟的能與馬氏體、鐵素體和奧氏體不銹鋼并列的鋼種。發(fā)展到今天，雖然雙相不銹鋼的消費只占不銹鋼總量的1%，但是它的發(fā)展前景廣闊。