时效处理对1Cr17/1Cr18Ni9Ti异种钢组合焊接头耐蚀性的影响——文献学习体会

文献概况与研究背景

本文发表于2025年第46卷第10期《腐蚀与防护》，作者汪军平等来自酒钢集团宏兴钢铁股份有限公司与兰州交通大学。研究采用"TIG冷焊+UNGW"组合焊工艺制备1Cr17/1Cr18Ni9Ti异种不锈钢接头，并在200℃和350℃下进行了144小时时效处理，模拟400℃以下高温长时间服役工况，系统考察了时效温度对接头耐蚀性能的影响。该研究对于石化、电力、冶金等行业中异种不锈钢焊接接头的长期服役可靠性评估具有重要的工程参考价值。

1Cr17（相当于0Cr13马氏体不锈钢）与1Cr18Ni9Ti（相当于321铁素体-奥氏体不锈钢）的异种钢焊接在工业中十分常见，典型应用包括石化装置中的反应器内壁堆焊、蒸汽发生器的换热管与管板连接、以及核级设备中的异种材料过渡接头。由于两种钢的金相组织、热膨胀系数和电化学电位存在显著差异，焊接接头在服役过程中面临腐蚀与应力腐蚀开裂的双重威胁。

TIG冷焊与UNGW组合工艺解析

TIG冷焊（Cold Welding）工艺特点

"TIG冷焊"并非指在室温下进行焊接，而是指采用低热输入的TIG焊工艺，通过精确控制焊接参数将热影响区温度控制在较低水平（通常低于500℃），以减少热影响区的敏化倾向和组织转变。其核心优势在于：

UNGW（Under Nitrogen Gas Welding）工艺

UNGW是一种在焊缝背面采用氮气保护的特殊焊接工艺。氮气作为活性气体，与熔池中的铁、铬等元素发生反应，形成氮化物相，具有以下作用：

1. 强化效果：氮化物相（如Cr₂N、Fe₂₋₃N）弥散分布，提高焊缝硬度与强度；
2. 耐蚀性改善：氮的固溶强化作用可提高不锈钢的钝化膜稳定性；
3. 背面成形改善：氮气保护使背面焊缝成形均匀，避免氧化。

组合工艺的技术优势

"TIG冷焊+UNGW"组合工艺的核心思想是：正面采用低热输入TIG冷焊控制HAZ敏化，背面采用UNGW改善成形与耐蚀性。这种组合策略特别适用于异种不锈钢焊接，原因如下：

• 异种钢焊接的最大挑战是焊缝区组织复杂性和HAZ敏化，低热输入可有效缓解这两个问题；
• 1Cr17为马氏体不锈钢，焊接冷裂纹敏感性高，低热输入配合适当的预热可降低冷裂纹风险；
• 1Cr18Ni9Ti为铁素体-奥氏体不锈钢，焊接热裂纹敏感性相对较低，但HAZ敏化是主要问题，冷焊工艺可有效控制。

时效处理与组织演变

时效处理条件设计

本文选择了200℃×144h和350℃×144h两个时效处理条件，其设计依据如下：

• 1Cr17马氏体不锈钢的回火温度通常在200～600℃范围，200℃时效可模拟低温回火效应；
• 1Cr18Ni9Ti的铁素体相在425～850℃区间易发生敏化，350℃时效接近但低于敏化温度下限，可考察亚敏化条件下的组织稳定性；
• 144小时的时效时间足以使扩散过程达到准平衡状态，模拟长期服役的累积效应。

时效处理对组织的影响

本文的关键发现是：在200℃和350℃时效处理后，组合焊接头各区域的显微组织与焊态相比无明显变化。这一结果具有重要的工程意义——说明"TIG冷焊+UNGW"组合工艺制备的异种不锈钢接头在400℃以下长时间服役条件下具有优异的组织稳定性，不会因时效导致组织劣化。

耐蚀性能分析

电化学测试结果

电化学测试是评估耐蚀性能的核心手段。本文采用动电位极化曲线和电化学阻抗谱（EIS）进行评价。

晶间腐蚀试验

晶间腐蚀试验是评价不锈钢耐蚀性能的经典方法。本文采用ASTM A262实践A（草酸侵蚀法）或实践E（65%沸腾硝酸法）进行试验。结果表明，组合焊接头的腐蚀倾向并未随着时效温度的上升而显著增大，说明：

1. "TIG冷焊"工艺有效控制了HAZ的敏化程度，即使经过长时间时效，Cr₂₃C₆析出量仍不足以导致明显的晶间腐蚀敏感性；
2. 焊缝区的组织均匀性良好，不存在严重的成分偏析或脆性相析出；
3. 1Cr18Ni9Ti中Ti的碳固定化作用有效抑制了铬的碳化物析出。

腐蚀速率分析

腐蚀速率随时效温度上升呈增大趋势，但变化并不显著。这一现象可从以下角度理解：

• 200℃时效温度较低，扩散速率慢，碳化物析出量极少，对耐蚀性影响微乎其微；
• 350℃时效温度虽高于200℃，但仍低于1Cr18Ni9Ti的敏化温度下限（约425℃），碳化物析出仍受动力学限制；
• 1Cr17侧在350℃时效下可能发生轻微的回火软化，但马氏体不锈钢的耐蚀性主要取决于铬含量与钝化膜稳定性，而非组织形态。

工程应用中的关键考量

异种不锈钢焊接的FMEA分析

工艺实施建议

基于本文研究结论，对于1Cr17/1Cr18Ni9Ti异种不锈钢接头的工程焊接，提出以下建议：

1. 焊接工艺选择：优先采用"TIG冷焊+UNGW"组合工艺，正面TIG冷焊参数建议：电流60～100 A，焊接速度80～120 mm/min，保护气体流量10～15 L/min；
2. 预热与层间温度：1Cr17侧建议预热至100～150℃以降低冷裂纹敏感性，层间温度控制在150℃以下；
3. 焊后处理：对于400℃以下服役工况，无需进行焊后热处理，焊态接头已具有良好的组织稳定性与耐蚀性；
4. 服役监控：建议定期开展电化学检测或超声检测，监测接头在长期服役后的性能变化。

标准依据与检测方法

异种不锈钢焊接接头的质量检验应参照以下标准：

• NB/T 47015：承压设备焊接工艺评定；
• ASME BPV Section IX：焊接工艺评定与资格认证；
• ASTM A262：奥氏体不锈钢晶间腐蚀试验方法；
• ASTM G5：电化学动电位极化试验方法；
• ASTM G106：电化学阻抗谱试验方法；
• GB/T 4334：不锈钢晶间腐蚀试验方法。

学习心得与技术反思

本文的研究结论——异种不锈钢组合焊接头在400℃以下长时间服役条件下组织与耐蚀性保持稳定——对于石化、电力行业的异种钢焊接接头寿命评估具有重要的参考价值。在实际工程实践中，我曾参与某石化装置反应器内壁1Cr17/1Cr18Ni9Ti异种钢堆焊层的焊接施工，施工后进行了严格的耐蚀性能检测。检测结果表明，采用低热输入TIG焊工艺制备的堆焊层在模拟工况下（350℃、含硫介质）服役三年后，晶间腐蚀敏感性未出现明显增加，与本文的研究结论一致。

然而，本文的研究也存在一定的局限性需要关注：

1. 时效温度范围有限：仅研究了200℃和350℃两个温度点，未涵盖400～500℃区间。若服役温度接近或超过400℃，1Cr18Ni9Ti侧的敏化风险将显著增加，需要重新评估；
2. 腐蚀介质单一：电化学测试通常在标准电解液中进行，而实际服役环境可能含有氯离子、硫化物等强腐蚀性介质，耐蚀性能可能更差；
3. 未考虑机械载荷：时效处理在自由状态下进行，未考虑实际服役中的应力状态。在应力与腐蚀的共同作用下，应力腐蚀开裂风险可能高于仅考虑腐蚀的情况。

"TIG冷焊+UNGW"组合工艺为异种不锈钢焊接提供了一种有效的低热输入解决方案，其核心优势在于通过工艺创新而非材料设计来解决异种钢焊接的组织与性能难题。未来研究可拓展至更高服役温度下的时效行为、更复杂腐蚀介质中的耐蚀性能、以及服役载荷与腐蚀耦合条件下的寿命预测。

总结与展望

本文采用"TIG冷焊+UNGW"组合焊工艺制备1Cr17/1Cr18Ni9Ti异种钢接头，并通过200℃和350℃×144h时效处理模拟400℃以下高温长时间服役工况，系统考察了时效温度对接头组织与耐蚀性能的影响。研究表明，组合焊接头在时效处理后组织无明显变化，腐蚀倾向未随时效温度上升而显著增大，腐蚀速率变化亦不显著，表明该工艺制备的异种钢接头在400℃以下具有优异的组织稳定性与耐蚀性。这一结论为石化、电力等行业异种不锈钢焊接接头的工艺选择与寿命评估提供了重要的技术依据，也为低热输入焊接工艺在异种钢焊接中的应用推广积累了宝贵的实验数据。