前言
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，与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相比，明显降低了贵重金属Ni的含量，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成功广泛的应用。
近年来，太钢围绕双相不锈钢，在品种结构、规格、数量及应用领域等多方面，开展了大量研发和推广工作，突破了多项关键技术，目前在双相不锈钢方面，已经形成了品种的系列化、数量的规模化、应用领域的多样化。
1、双相不锈钢的发展历史和趋势
双相不锈钢的发展起源于20世纪30年代，法国人在1935年获得第一个专利。一般认为，截至上世纪80年代，双相不锈钢的发展经历了三代。
第一代双相不锈钢为开始于美国上世纪40年代开发的329钢，该钢种的典型特征是含有较高的Cr、Mo，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 u 1 . 5）、日本的3 2 9 J 1（C≤0 . 0 8 %，C r 2 5 -Ni4.5-Mo2）。1960年瑞典开发了着名的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，使得超低碳（C≤0.03％）冶炼普及，同时N在不锈钢中独特作用的深入认识，大大促进了含N、超低碳双相不锈钢的开发应用，在此基础上，通过Mo、Cu、Si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。这类钢的特点是含超低碳，含3%～4%的Mo、0.3%左右的N，部分钢种还加入Cu、W，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，不仅耐应力腐蚀破裂，同时也可以应用在海水环境中。到了上世纪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LDX2101（Ni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。
同时，在SuperDSS的基础上，通过增加Cr、Mo、N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，它们比6％Mo钢种的耐腐蚀性能更好，与Ni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。在今后，双相不锈钢仍将不断发展，其趋势分为两种：一种是开发低Ni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。
2、太钢双相不锈钢的发展现状
太钢是从上世纪80年代开始双相不锈钢的工艺研究及品种开发。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锻件及中板，主要用于化肥行业（如甲胺泵泵体、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，此后陆续开发成功2101、2304、2507、S32760、S32906等系列双相不锈钢，在国内多领域及涉外工程中得到批量应用（表1）。
2.1 品种、结构及规模
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Cr、Ni、Mo的含量均按照中上限控制。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。目前太钢已经形成了年产30000t双相不锈钢的生产规模。
2.2 关键共性技术
双相不锈钢由于是奥氏体、铁素体两相共存，因此其轧制、热处理、酸洗、焊接等关键工艺不同于单相奥氏体、铁素体不锈钢。在成分设计方面，普遍引入N，既改善了材料的性能，而且取代部分Ni，降低了成本。围绕双相不锈钢上述工艺特点，太钢主要进行了如下技术工作，为双相不锈钢的成功开发提供了必要的技术保证。
2.2.1 双相不锈钢控N及AOD炉氮气合金化应用技术
N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N在钢中溶解和脱除规律以及不同元素对N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N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N含量在500～3200ppm之间的精确控制，控制精度为±50ppm。图1就是S32750超级双相不锈钢冶炼过程N含量的变化图。
图1 S32750冶炼过程的N含量变化
除了开展AOD炉氮气合金化的工艺研究，太钢还进行了VOD冶炼含N双相不锈钢的工艺研究，通过调整主要合金成分，控制氮气流量和钢水温度，实现了N含量精确控制的同时，提高了钢质纯净度，降低生产成本，缩短冶炼时间。
2.2.2 铸坯实物质量控制
连铸坯是目前双相不锈钢热加工的主要原料，钢质纯净度与铸坯低倍组织是反应铸坯质量的主要指标，也直接影响到材料的热加工工艺（如热加工裂纹）以及最终的产品使用性能（如耐腐蚀性），因此，获得高质量铸坯对于双相不锈钢品种开发具有重要意义。以2205双相不锈钢为例，在钢质纯净度方面，通过选择合理的脱氧工艺及去除夹杂的技术，钢中的[O]≤15ppm，有害元素[S]≤0.002%，夹杂物数量减少，夹杂物尺寸明显减小，对应1.0mm的冷轧板材夹杂物评级，四类夹杂物均为0.5级。
在铸坯低倍组织控制方面，在连铸过程通过采取低的过热度、二冷水弱冷，同时投入电磁搅拌，取得了非常理想的效果，与单相奥氏体、单相铁素体不锈钢相比，柱状晶较细，铸坯等轴晶比例达70%以上（图2），这为后步的热加工奠定了良好的基础。
图2 投入电磁搅拌铸坯低倍组织
双相不锈钢一般含有较高的N，铸坯容易形成皮下气泡，特别是低Ni高N的经济型双相不锈钢，气泡产生的敏感性更强。通过研究双相不锈钢的凝固相变特点，分析了凝固过程中合金元素和压力对氮溶解度的影响规律，并在生产中对成分、浇铸温度进行合理控制，避免了铸坯皮下气泡。
2.2.3 双相不锈钢的热塑性研究
双相不锈钢是奥氏体、铁素体两相共存，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。通常认为铁素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，而奥氏体能则通过动态再结晶进行软化。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3），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。
（a）铁素体的动态回复形貌
（b）铁素体动态再结晶形貌
（c）α相上分布的γ'
（d）γ’相电子衍射结果
图3 2205双相不锈钢热变形组织转变
2.2.4 热处理工艺控制技术
双相不锈钢含有较高的Cr、Mo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：一是避免在有害相析出的敏感区热处理；二是热处理后的快速冷却。合金含量的不同，直接影响到双相不锈钢在热处理过程中的有害相的析出行为，这里既包括有害相的种类，如σ相、Cr2N、Lavis等，又包括析出相的不同温度区间。通过对不同合金的系列双相不锈钢热处理过程中组织转变行为及对性能的影响规律进行研究，发现低Ni、低Mo的经济型双相不锈钢对低温Cr2N的析出敏感，而对σ相的析出不敏感；而中合金及超级双相不锈钢，由于Cr、Mo含量相对较高，因此，σ相析出的敏感性强，稳定存在的温度范围宽，稳定存在的上限温度高（图4）。因此，针对不同成分的双相不锈钢，热处理制度也不同。
图4 不同成分双相不锈钢的TTT曲线
这里列出了典型的2205双相不锈钢不同热处理制度下的组织性能对比，见表2。
从上述结果可以看出，2205经过850℃热处理，较1050℃热处理后的延伸率、冲击韧性大幅度降低。从金相组织分析，前者除了α、γ外，还有大量第二相析出；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。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、双相不锈钢复合板制备、大直径双相不锈钢锻件等方面开展了相关的技术工作，解决了含Mo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、锻件的中心缩孔等难题，同时还为用户提供了配套的焊接技术服务。
3、市场开发
近年来，伴随着太钢双相不锈钢的技术进步，太钢已经实现了双相不锈钢的品种规格系列化，并在国内重点领域、重点工程及涉外的项目中，得到广泛应用，在2012年被评为“冶金市场开拓奖”。
3.1 化学品船制造
与316L、304L相比，双相不锈钢具有高的强度，实现厚度的减薄，同时耐蚀性增强，可以运输更多种类的化学品，因此是制作液货仓内胆的理想材料。由于化学品的种类多，因此对船板的表面粗糙度有非常高的要求（一般要求Ra≤5μm），同时考虑到要进行波形板的压制和液货舱的结构，因此要求钢板具有较好的板型、残余应力分布均匀、合格的厚度方向拉伸性能及无脆性相析出等。太钢先后通过了CCS、LR、GR、BV、DNV、ABS等多国船级社认证，2205已经大批量用于万吨级（如需要LR认证的33000吨级）的化学品船制造。
3.2 纸浆造纸
在造纸工业领域中， 蒸煮与漂白是两个重要的环节，与之相关的设备均受到不同程度的腐蚀。传统的硫酸盐法蒸煮工艺中蒸煮液的主要成分是NaOH和Na2S，还有一些来自于碱回收系统的Na2CO3、Na2SO4、Na2SO3和Na2S2O3，如果封闭循环用水，蒸煮液中NaCl含量会大量增加。 传统蒸煮设备大都是压力容器，在160～180℃的工作温度下，上述的盐类对设备都有腐蚀作用。而漂白废液对环境影响最大、污染最严重，漂白设备的腐蚀介质主要是氯化段的Cl-，H+以及氧化剂Cl2、ClO2，在氯化塔顶或洗浆机上都有严重腐蚀现象，不能用316L。太钢产的2101、2304、2205双相不锈钢批量用于国内外的造纸项目，较好解决了防腐问题，同时在壁厚减薄方面具有显着优势。
3.3 天然气集气管线
在油气开采过程中，集气管线要在含有大量H2S、CO2和CI－甚至很高的CI－酸性环境中服役。太钢双相不锈钢通过了壳牌、美孚、BP等国际知名公司的认证，并提供了上万吨的2205卷板，用来制作PDO（阿曼国家石油公司）天然气集气管线，设计温度为0～120℃，设计压力为13MPa，订货标准为API-5LC的规范要求。同时，2205的无缝钢管及焊接钢管，在我国塔里木克拉苏气田大北区块地面建设集气管线工程同样得到成功应用，设计压力为16MPa，输送压力为12.2～14.81MPa，输送温度为21～70℃。
3.4 核电
核电做为一种清洁能源，在我国的能源发展战略中具有重要地位，要大力发展，其中从美国西屋（WestHouse）公司引进的AP1000核电技术，是目前我国核电技术的重要组成。在众多的核电设备中，乏燃料水池的覆面板材质被确定为S32101经济型双相不锈钢，代替304L不锈钢，主要是利用其高强度、良好的耐腐蚀性以及低Ni含量的经济型，同时对S32101在130℃的高温瞬时拉伸有明确要求（Rp0.2≥362MPa），工程设计板材的厚度范围为6.35～50.8mm，最大板宽为3060mm，最大板长为13700mm，目前已形成了能源领域的核电专用技术条件。此外，针对核电海水循环泵的使用特点，太钢分别生产了最大厚度为60mm的2507、S32760等超级双相不锈钢中厚板，用于泵体及法兰的制作。
3.5 桥梁（跨海大桥）
对于建筑桥梁，特别是跨海大桥，由于所处的环境恶劣（Cl-浓度高达20000ppm）、海上施工及维护难度大，大桥桥墩的腐蚀破坏成为跨海大桥长寿命、安全、低成本运行的限制环节。而双相不锈钢钢筋具有高耐腐蚀性、高强韧性及便于岛上施工等优点，目前已成为国际建造跨海大桥关键部位材料的较为理想的解决方案。太钢的双相不锈钢螺纹钢筋、连接件、折弯件组合产品通过了权威的英国CARES认证，建立了不锈钢钢筋标准和应用技术规范，目前8000余吨双相不锈钢螺纹钢筋在世界最长、设计寿命超过120年的港珠澳跨海大桥得到成功应用，对提升我国海洋桥梁、港口、岛礁等工程设计和建设水平，具有重大的示范效应和战略意义。
3.6 压力容器
双相不锈钢具有高强度、良好的耐蚀性和焊接性能，目前已经成为压力容器行业的重要选材。特别是在解决传统奥氏体不锈钢遇到的应力腐蚀问题、点腐蚀问题方面，具有显着优势。根据压力容器行业的特点，太钢的系列双相不锈钢已经在石化、炼油、煤化工等领域的反应器、塔器、换热器、管板等得到成功应用。
真空制盐工程的蒸发罐，2205双相不锈钢在耐应力腐蚀方面具有316L不可比拟的优越性。2205的复合板兼顾了不锈钢的耐蚀性和容器用碳素结构钢的强度，同时较同厚度的不锈钢成本显着降低，因此是真空制盐蒸发罐的理想选材。太钢产的2205复合板成功应用于重庆索特百万吨/年真空制盐、湖北蓝天60万t/年真空制盐等项目。在聚酯原料精对苯二甲酸（PTA）装置中，随着设计产能提升（从900kt/a到2000kt/a）， 设备外形参数也随之放大， 同时考虑到PTA生产中有醋酸和溴离子的存在，介质的腐蚀性极强，因此需在耐蚀性和经济性之间找到平衡，2205替代316L、3l7L以及904L已成为较为理想的解决方案。
在蜡油加氢装置中的热高分气空冷器，其操作介质为热高分油气（含H2S、NH3、氯、H2O等），操作压力为11.3MPa，太钢的2205中厚板成功得以应用。
封头是压力容器的重要设备，对材料不仅要求具有较好的耐蚀性、焊接性，而且还需具有良好的旋压成型性。双相不锈钢具有较高的屈服强度，封头成型时的回弹性较强；同时延伸率偏低（一般25%～30%），需更大的弯曲半径及必要的中间退火。太钢生产的2101、2304、2205、2507等系列双相不锈钢均成功进行了封头压制，并在石化、压力容器中得到广泛应用。
板式热交换器以其高效、紧凑、金属耗量少等特点愈来愈受到青睐，一般分为全焊式和可拆式两种，目前双相不锈钢在该领域已经得到了成功应用。全焊式材料的厚度一般为2.0mm，可拆式的厚度为0.6～0.8mm。二者相比，后者的波纹板对双相不锈钢的冷成型性要求更为严格。实践证明，由于双相不锈钢强度高，45°的r值（塑性应变比）较0°、90°高，使其承受复杂成型的条件较为有利。太钢生产的0.6～2.0mm的2205冷板，已在国内板式换热器制作得到成功应用，设备运行良好。
3.7 建筑幕墙
由于沿海气候的独特性，普通304、316制作的幕墙支架经常会发生表面锈蚀的现象，影响其美观和安全。实践证明，选用2205双相不锈钢可以从根本上解决上述问题。
太钢生产的2205双相不锈钢冷板，用于迪拜标志性建筑——ADIC工程（阿布扎比移民局大楼），该建筑位于阿联酋首都阿布扎比，既有沙漠，又面对大海，自然环境下的侵蚀严重。2205双相不锈钢主要用于2098个遮阳伞（23980平方米）支撑架的制作，较好解决了支撑架要求高强度和经受高温、潮湿、风沙等恶劣环境的防腐问题。
3.8 海水淡化
海水淡化是采用多级闪蒸或多级分馏等工艺，将海水进行处理，变成日常生产生活用水。
双相不锈钢耐Cl-点腐蚀能力好，其需求随设计的日处理海水能力增加而增加。太钢已经成为国际知名海水淡化工程公司的合格供应商，2304、2205板材已经用于制造海水淡化的主要设备。此外，太钢的双相不锈钢系列品种，在城市轨道交通、大型水利工程（如长江三峡水利工程、紫坪埔水利工程、向家坝水利工程等）、环保脱硫项目、水处理等众多领域同样得到应用。
4、结论
（1）经历了三个不同阶段，双相不锈钢到目前已经形成了系列化，并在今后继续向经济型和超级型方向发展。
（2）太钢围绕双相不锈钢，突破了冶炼、热加工、热处理等多项关键共性技术，成功开发了不同合金的双相不锈钢系列品种。
（3）太钢的双相不锈钢在化学品船、纸浆造纸、桥梁、压力容器、核电、天然气管线、建筑幕墙、海水淡化等多个得到成功应用。