双相不锈钢是指在固溶组织中铁素体相和奥氏体相约各占一半的不锈钢。通过合理的成分设计以及热处理工艺控制，实现了铁素体相和奥氏体相共存，并兼备了两相各自的优点，如奥氏体不锈钢的优良韧性、焊接性，铁素体不锈钢的高强度和耐氯化物应力腐蚀性能等，与同性能级别的奥氏体钢相比，明显降低了贵重金属镍的含量[1～2] ，是低成本与高性能的完美统一。因此近年来作为可焊接的结构材料，得到快速发展，目前已成为不锈钢的重要组成部分，在石油、化工、造船、造纸、海水淡化、交通运输、核电、桥梁、建筑幕墙等多领域得到了成功广泛的应用[3～8]。 1、双相不锈钢的发展历史、趋势、特点及品种 1.1 双相不锈钢的发展历史及趋势 双相不锈钢的发展起源于20世纪30年代，法国人在1935年获得了第一个专利。一般认为，截止至上世纪80年代，双相不锈钢的发展经历了三代[1、9～10]。 第一代双相不锈钢以美国上世纪40年代开发的329钢为代表，该钢种的典型特征是含有较高的铬、钼，改善了耐蚀性，但由于含碳量较高(≤0.1％)，因此焊接时会有碳化物沿晶界析出，导致耐蚀性降低，一般只用于铸件。期间各国都在降低碳改善焊接性开展了大量工作，开发了一系列新品种，如苏联的钛稳定型的1Cr21Ni5Ti、德国的1.4582、法国的UR50（Cr21-Ni7.5-Mo2.5-C u1.5）、日本的329J1（C≤0.08 %，Cr25 -Ni4.5-Mo2）。1960年瑞典开发了著名的3RE60（00Cr18Ni5Mo3Si2），它是第一代双相不锈钢的代表钢种，焊接及成型性能良好，广泛代替了李国平304L、316L用作耐氯离子应力腐蚀的材料，但不足的是该钢种焊接热影响区极易出现单相铁素体组织，导致焊接接头的韧性降低，耐蚀性变差。 第二代双相不锈钢是在上世纪70年代，随着AOD、VOD等二次精炼技术的发展，超低碳（C≤0.03％）冶炼法得以普及，同时氮在不锈钢中的独特作用被深入认识，大大促进了含氮、超低碳双相不锈钢的开发应用，在此基础上，通过钼、铜、硅等耐蚀性元素的加入，开发了一大批性能优良、应用广泛的双相不锈钢。典型的代表钢种是瑞典SAF2205、法国UR45N、日本的329J3L、329J4L等。其中，2205目前占双相不锈钢总量的70%以上。 第三代双相不锈钢一般也称之为超级双相不锈钢（Super DSS），是在上世纪80年代后期发展起来的。这类钢的特点是超低碳，含3%～4%的钼、0.3%左右的氮，部分钢种还加入铜、钨，此类钢具有优良的耐Cl-点蚀性能，点蚀当量指数［PREN=Cr%+3.3×（Mo+0.5W）%+16×N%］大于40。典型钢种有S32750、S32760（Zeron100）、S32550、S32906、DP3、UR52N等。与第一和第二代双相不锈钢相比，第三代双相不锈钢在耐腐蚀性能方面有很大的提高，不仅耐应力腐蚀断裂，同时也可以应用在海水环境中。 上世纪90年代，由于世界范围内的镍资源紧张，加上镍价上涨等因素的影响，使不锈钢企业纷纷寻找成本更低的新钢种，即开发新型节镍经济型双相不锈钢。如瑞典的LDX2101（镍含量在1.35%～1.70%）、美国阿里根尼的AL2003，法国的UR2202、新日铁的NSSC2120等，实现了成本与性能的完美统一，目前已在全球得到了成功应用，并倍受关注[10]。 同时，在SuperDSS的基础上，通过增加铬、钼、氮的含量（达到5000ppm），SANDVIK开发成功PREN超过50、强度达到1000MPa的特超级双相不锈钢SAF2707HD、SAF3207HD[11]，它们比6％Mo钢种的耐腐蚀性能更好，与镍基耐蚀合金相当，用于温度较高的天然油气井、深海管线、海水冷却交换器等。 总之，双相不锈钢伴随着钢铁冶金技术的进步、资源高效利用认识的不断提高，经历了不同的发展历程，目前已经形成以2205、2304、2507等传统双相不锈钢为代表的钢种集群，它们在化学成分、性能以及设计、加工制造等方面均有了较为完善的措施。今后，双相不锈钢仍将不断发展，其趋势分为两种：一种是开发低镍双相不锈钢，另一种是高耐蚀性的超级及特超级双相不锈钢[12]。 1.2 双相不锈钢的特点 双相不锈钢的固溶组织是铁素体与奥氏体共存，具有高强度、耐蚀性好、焊接性能优良等的优点，同时在使用温度、成型性以及有害相析出的敏感性等方面具有一定的局限性。 双相不锈钢的屈服强度一般为奥氏体不锈钢的两倍（见表1），随钢中合金元素的增加，强度也增高。高强度的主要原因可归结为三方面：一是铁素体组织的高强度；二是氮的固溶强化；三是细晶强化，固溶处理的2205板材双相不锈钢的奥氏体晶粒在10级左右（见图1）。1.2.1.1 高强度
高的屈服强度是压力容器、桥梁、造船等结构设计减薄、实现轻量化的理论依据。图2为S32003双相不锈钢与316L奥氏体不锈钢在储罐设计所需厚度的对比。这里要特别指出的是，前者的耐蚀性能与317L相当，明显优于316L。
双相不锈钢具有良好的耐点腐蚀性能，主要是由于高铬、高氮以及适量钼的协同作用。一般用耐点蚀指数P R E N的大小作为参考[ PREN=Cr+3.3（Mo+0.5W）+16N ] [1]。另外，材料固溶处理的组织是否有有害相的析出，对耐点蚀性的影响更为重要。表2为不同种类不锈钢的PREN值对比。
双相不锈钢具有良好的抗应力腐蚀性能，原因有：屈服强度高，断裂临界应力值高；第二相对裂纹扩展起机械屏障作用（图3a、3b）；耐点蚀性能好，减少应力集中；α相对γ相起到阴极防护作用[1，13]。
由于双相不锈钢是铁素体与奥氏体的结合，因此焊接时，热裂倾向小，不需焊前预热与焊后热处理。含氮双相不锈钢可以实现在焊接时热影响区保留30%的奥氏体，因此大大改善了焊接接头的韧性及耐蚀性能。图4为S32101焊接接头金相组织。
由于双相不锈钢含有50%左右的铁素体，并且一般含有高铬量及一定的钼量，因此具有铁素体不锈钢“475℃”的脆性特征，一般推荐双相不锈钢的使用温度上限为250～300℃；同时，双相不锈钢具有各向异性，其低温韧性较奥氏体不锈钢有较大差距，因此不推荐其在低于-80℃的环境中使用。图5为S32101双相不锈钢的冲击韧性与试验温度关系的曲线[14] 。
双相不锈钢的相变复杂，尤其是含铬、钼都较高的钢，在350～1000℃进行等温时效或不正确热处理时，除α和γ两相外，还有各种其他的二次相析出，这些相主要由不稳定的α相中析出或转变来的，有σ相、Cr2N、χ相、R相、π相、M7C3、M23C6等，在350～550℃还有铁素体的调幅分解，导致“475℃”脆性。这些相中以σ相最为重要，它严重影响钢的韧性和耐蚀性。图6为双相不锈钢第二相析出示意图[15]。
1.3 双相不锈钢的品种
目前双相不锈钢已经形成不同合金含量、不同性能级别的系列，典型牌号见表3。
2、太钢双相不锈钢的发展情况
太钢是从上世纪80年代开始进行双相不锈钢的工艺研究及品种开发的。当时主要的双相不锈钢品种有两种：前苏联的牌号1Cr21Ni5Ti，主要用于制作火箭发动机燃烧室的尾喷管；瑞典的3Re60的锻件及中板，主要用于化肥行业（如甲胺泵的泵体、制盐复合板等）。随着国家重点工程的建设，特别是长江三峡水利工程不锈钢复合板的设计需求，太钢开始了2205双相不锈钢的研制，并陆续开发成功2304、2507、2101等双相不锈钢，在国内多领域及涉外工程中得到批量应用。
2.1 品种、成分、结构及规格 太钢拥有先进的不锈钢精炼设备，在成分控制方面，严格控制有害元素的含量，如 [S] 的控制目标为≤10ppm，为了改善使用性能，关键元素如铬、镍、钼的含量均按照中上限控制。主要品种及典型成分见表4。
在产品结构方面，已经形成了热轧中厚板、冷轧薄板、复合板、管坯、无缝钢管、线材、螺纹钢、轴类等系列产品。中厚板最大厚度为80.0mm，卷板最大宽度为2000mm。
2.2 耐腐蚀性能（见表5、表6） 从表5、表6可以看出，双相不锈钢非敏化态的晶界腐蚀结果完好，在沸腾的65%HNO3溶液中耐蚀性满足了尿素设备的要求（≤3.3μm/48h，折合为0.54g/m2·h），这也是双相不锈钢在尿素合成塔中得到应用的原因之一。
2.3 关键工艺技术 2.3.1 双相不锈钢控氮及AOD炉氮气合金化应用技术
氮在钢中的加入方式有两种，一是利用含氮铁合金，二是通过吹氮气。通过对氮在钢中溶解和脱除规律以及不同元素对氮在钢中溶解规律影响的研究，建立AOD炉关于氮气合金化控制氮含量的数学模型，预报不同成分双相不锈钢在一定温度下的饱和溶解度，实现成品氮含量的精确控制，控制精度为±50ppm。图7就是S32750超级双相不锈钢冶炼过程氮含量的变化图[16]。
2.3.2 改善双相不锈钢热加工塑性工艺技术
双相不锈钢是奥氏体、铁素体两相共存的，而两相的组织结构不同，软化机理也不同，在热变形时由于两相化学元素分布不同、应力分配不均而发生不协调变形，最终导致产生裂纹[17]。通常认为铁索体具有较高的层错能，高温时位错的攀移和交滑移容易发生，因此铁素体只发生动态回复而不发生动态再结晶，而奥氏体则能通过动态再结晶进行软化[18～19]。因此，与单相奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的热加工相比，控制难度大，工艺复杂。以2205为例，吴玖教授[20]通过借助Gleeble热模拟试验机、扫描、透射、X-衍射等工具对双相不锈钢铸坯热变形过程进行微观分析，发现如下特征（见图8），对制定正确的热塑性控制工艺具有重要意义。
（1）整个热变形过程，α相的软化程度和软化速度均高于γ相；而且铁素体晶粒发生了动态回复和动态再结晶，位错在晶界聚集形成位错墙，导致小角度的亚晶出现。
（2）在α相内析出具有面心立方结构的γ＇相，呈弥散的颗粒状分布，使α相得到强化，从而使从α相向γ相的应变转移趋于均匀，提高了钢的热塑性。
（3）随温度增加，α相比例提高到60%，此时γ相以圆角状形式均匀存在，热塑性增加；但α相晶粒急剧长大，会导致热塑性降低。
2.3.3 热处理工艺控制技术及σ相对性能的影响
双相不锈钢含有较高的铬、钼以及50%左右的铁素体，热处理会经过多个有害中间相的转变，其中危害最大的就是σ相，它使钢的塑韧性降低，严重恶化耐蚀性能。因此热处理制度的选择必须严格遵守以下两条：一是避免在σ相析出的敏感区热处理（850～950℃），二是出炉的快速冷却[21]。表7是S31803双相不锈钢不同热处理制度下的性能对比。
从表7可以看出，S31803经过850℃热处理，较1050℃热处理后的伸长率、冲击韧性大幅度降低。从金相组织及分析，前者除了α、γ外，还有大量第二相析出（图9a）；通过XRD衍射分析，前者可以看到非常明显的标志σ相的特征峰（图9b）。通过透射电子衍射，测得基体和析出相的衍射斑，与标准花样进行对照得出基体为体心立方点阵的铁素体，析出相为四方结构的σ相。
此外，太钢围绕双相不锈钢在高效酸洗、焊接、成型、双相不锈钢复合板的制备等方面开展了相关的技术工作，解决了含钼双相不锈钢带钢的酸洗速度慢、冷板冲压开裂以及复合板热处理的难题，同时还为用户提供了配套的焊接技术服务。
作者：李国平
大明钢铁网材料与加工组整理
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