一种利用脉冲电流均匀化低温高锰钢焊接热影响区微观组织的方法

本发明液化天然气(lng)储运用高锰钢焊接及焊后热处理，尤其是涉及一种利用脉冲电流快速均匀化低温高锰钢焊接热影响区微观组织的方法。

背景技术：

1、低温高锰钢因其高强度、优异的低温韧性以及低成本，已成为液化天然气(lng)、液氨、液氢等环保替代燃料储运关键装备最具前景的候选结构材料。lng船和储罐作为直接面向超低温液体的零部件，面临海洋波浪随机载荷、海水腐蚀等问题，应用于此类液态燃料储运装备的低温高锰钢焊接结构应满足极为复杂严峻的环境需求。

2、然而，研究发现低温高锰钢焊接后热影响区微观组织梯度不均匀分布，导致其低温力学性能(尤其是低温韧性)劣化，明显弱于母材，这制约了低温高锰钢在液态燃料储运装备和极地船舶的工程化应用。目前，已有研究学者通过材料合金化设计、接头焊后热处理等方式，一体化调控焊接热影响不均匀分布的微观组织并改善其低温力学性能。中国专利cn116083813a公开的一种n微合金化高锰钢及其热处理方法和应用就是利用n元素的微合金化抑制低温高锰钢焊接过程中碳原子在晶界偏聚和碳化物析出实现焊接热影响区元素分布和组织的均匀化；中国专利cn118814102a公开的一种微合金化高锰钢及其制备方法是通过添加la-ce稀土元素使之在焊接时形成细小的稀土夹杂物(ce2o3、ce2o2s)抑制热影响晶粒粗化和晶界碳化物析出；文献[chen j.,ren j.k.,liu z.y.,et al.interpretationof significant decrease in cryogenic-temperature charpy impact toughness in ahigh manganese steel.materials science&engineering a,737(2018)158-165]报道了一种高锰lng储罐用钢的高温热处理工艺，扩大了高锰钢的固溶处理窗口，在一定程度上实现了晶内、晶界元素分布相对均匀；中国专利cn108356417a也公开了一种提高高强塑积中锰钢激光焊接接头塑性的热处理方法可以均匀化低温高锰钢焊接接头的合金元素和晶界结构。材料合金化设计和接头热处理虽可完成热影响区微观组织均匀化的目的，但均存在其特定的局限；例如材料微合金化对晶界结构特征影响极小并可能引起材料焊接性变差的问题；其次添加稀土元素导致成本增加，与引入低温高锰钢替代9ni钢的初衷相悖；最后常规的热处理需要较高的温度和较长的时间，工序复杂繁琐、成本高昂且易引起晶粒粗化的问题。

3、而目前，利用高能外场调控金属结构材料微观组织、改善其综合性能，是材料科学研究的热点之一。中国专利cn113774192a就公开了一种利用脉冲电流调控轴承钢中网状碳化物的方法，通过脉冲电流对碳化物的溶解和再析出，调控碳化物的形貌和分布，可以改善金属材料的性能。综上，常规的材料合金化设计和焊后热处理技术难以彻底消除低温高锰钢焊接热影响区微观组织的梯度不均匀性，而已有的脉冲电流处理技术其目的和作用效果也不涉及本发明的内容。鉴于此，如何通过脉冲电流实现低温高锰钢焊接热影响区微观组织的精准调控和均匀化是本领域亟待解决的关键问题之一，也是本发明所致力解决的目标。

技术实现思路

1、本发明的目的旨在针对材料合金化设计、焊后热处理等现有技术手段存在的高成本、长周期、低效果等问题，提供一种非传统的、高效、绿色环保的后处理手段，即利用脉冲电流对低温高锰钢焊接热影响区微观组织进行均匀化处理的方法，缓解晶界元素偏聚、优化晶界结构，改善焊接热影响区的冲击韧性。

2、为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

3、本发明提供了一种利用脉冲电流均匀化低温高锰钢焊接热影响区微观组织的方法，所述方法显著改善低温高锰钢焊接热影响区微观组织的均匀性，提高其冲击韧性；包括下述步骤：

4、(1)通过熔化焊接的方式制备低温高锰钢焊接接头；

5、(2)对存在微观组织不均匀分布的焊接热影响区取样；

6、(3)将获得的低温高锰钢焊接热影响区试样在室温下进行脉冲电流处理；

7、(4)将经步骤(3)处理后的试样进行打磨抛光、化学侵蚀和振动抛光；

8、(5)对经步骤(4)处理后的试样进行元素分布状态表征和晶界结构特征量化。

9、优选地，所述步骤(1)中的熔化焊接方式为熔化极惰性气体保护焊。

10、优选地，所述步骤(1)中的低温高锰钢板材厚度为8～20mm；熔化极惰性气体保护焊的焊接电压20～24v，焊接电流为140～220a，惰性气体为氩气，氩气纯度≥99.99％，气体流量为14～20l/min。

11、优选地，所述步骤(2)中的对存在微观组织不均匀性的低温高锰钢焊接热影响区取样，所述取样方式为采用电火花线切割对经步骤(1)获得的低温高锰钢焊接接头通过局部剖切方式提取焊接热影响区试样。

12、优选地，所述步骤(2)中的对存在微观组织不均匀性的低温高锰钢焊接热影响区取样包括试样尺寸的确定和试样表面初步打磨，以确保脉冲电流处理时接触良好。

13、优选地，所述步骤(3)中的对提取的低温高锰钢焊接热影响区试样在室温下进行脉冲电流处理，所确定的脉冲电流参数范围为：脉冲频率0.6～6khz、脉冲宽度0.2～6ms、电流密度20～200a/mm2、处理时间5～120min。

14、优选地，所述步骤(4)中对经脉冲电流处理后的热影响区试样进行打磨抛光、化学侵蚀和振动抛光。

15、优选地，所述对脉冲电流处理后的试样表面依次采用200-400#、800-1000#、1500-2000#水磨砂纸打磨至仅存在单一方向划痕，并采用粒度0.5-2.5μm金刚石研磨膏将试样表明抛光至无划痕的镜面。

16、优选地，所述对脉冲电流处理和打磨抛光后的试样在室温下进行化学侵蚀，腐蚀液由2-4g苦味酸、4-6ml盐酸和90-100ml无水乙醇组成，腐蚀时间2-4min。

17、优选地，所述对脉冲电流处理和打磨抛光后的试样在室温下进行振动抛光，振动抛光频率5400-7200r/min、振动抛光液为0.02-0.05μm非结晶型二氧化硅抛光液、振动抛光时间60-120min。

18、优选地，所述步骤(5)中试样的元素分布状态表征是利用电子探针x射线微区分析技术(epma)对同一试样不少于8个位置的晶内、晶界元素分布特征进行线扫描分析，评估脉冲电流处理后试样元素分布的均匀性。

19、优选地，所述步骤(5)中试样的晶界结构特征量化是采用电子背散射衍射技术(ebsd)对同一试样不少于6个位置的大、小角度晶界数量和分布特征进行分析，并通过channel5软件量化统计，评估脉冲电流处理后试样晶界结构分布的均匀性。

20、优选地，根据传统船用低温钢焊后热处理工艺，采用加热炉对低温高锰钢焊接热影响区进行常规焊后热处理对比实验，热处理温度500℃，热处理时间1h，同样采用电子背散射衍射技术对热处理后试样的晶界结构进行量化表征。

21、优选地，相较于传统的焊后热处理，脉冲电流处理后热影响区的小角度晶界占比明显减少，晶界结构分布均匀性提升2倍，试样的冲击韧性提升20％。

22、利用脉冲电流处理实现低温高锰钢焊接热影响区元素分布和晶界结构均匀化的原理：

23、本发明所述主要针对低温高锰钢焊接后热影响区晶界元素偏聚和小角度晶界聚集引起的微观组织不均匀性，严重劣化其冲击韧性，所提出的脉冲电流处理则主要依据元素偏聚与小角度晶界聚集处畸变微结构与基体间电学性能差异，引起脉冲电流处理过程中电流密度的不均匀分布，电场作用下具有畸变的微结构附近电流密度相对较高，这种具有不均匀性分布的电流所导致的基体与微结构能量差异，将促使晶界处偏聚元素快速扩散以及堆积位错的滑移，实现元素扩散均匀化和晶界结构的再分布。同时，与传统焊后热处理相比，脉冲电流处理是一种瞬时高能的电流处理方法，具有操作简单、绿色环保、耗时短等优点。故而，利用脉冲电流处理快速均匀化低温高锰钢焊接热影响区微观组织，进行调控其冲击韧性是可行的。

24、因此，与现有技术相比，本发明的有益效果为：

25、(1)本发明通过对低温高锰钢焊接热影响区施加脉冲电流处理促使偏聚元素的扩散和堆积位错的滑移，可以快速、精准实现晶内、晶界元素以及晶界结构分布的均匀化，从而改善低温高锰钢焊接热影响区的冲击韧性。

26、(2)本发明所述脉冲电流处理调控低温高锰钢焊接热影响区微观组织与性能的方法，常温下即可进行，无需额外的辅助热源，操作简单、耗时短、效率高、节约能源，对焊接热影响区组织性能调控具有广泛的应用前景和应用价值。