EXPERIMENTAL AND NUMERICAL ANALYSIS OF WELDING AND HEAT TREATMENT OF DUPLEX STAINLESS STEELS

Duplex and Super Duplex Stainless Steels (DSS and SDSS) are high-strength and corrosion-resistance alloys, which found application in chemical, petrolchemical, pulp, paper industries, offshore and desalination plants. Their localized corrosion behavior is an all-important facet, and is deeply altered by the thermal cycles produced by the welding operations. The aim of this doctoral dissertation is to study experimentally and numerically the influence of welding and heat treatments on DSS and SDSS microstructure and corrosion performance, in order to optimize all the materials and processes involved in these operations. The techniques used in this work include: LOM (Light Optical Microscopy), ESEM (Environmental Scanning Electron Microscopy), EDS (Energy Dispersive Spectroscopy), optical spectroscopy, tensile tests, microhardness measurements, anodic polarization curves, weight losses corrosion tests, and finally numerical models developed in SYSWELD 11.0®. On the base of a literature review of previously published results on DSS and SDSS welding, heat treatment and corrosion studies, new researches were carried out, and the main topics discussed in the PhD work were: -In duplex welding, filler metals are nickel-rich to assure a more balanced microstructure. What is the impact of an innovative filler wire enriched in nickel on microstructure, mechanical and corrosion properties of SDSS welded joints? - A post welding heat treatment is generally performed to restore the optimal corrosion properties of a SDSS welded joint; what is the impact of this annealing treatment on microstructure and pitting corrosion properties of SDSS? What is the influence of different filler metals used during welding in relation to this treatment, on microstructure and pitting corrosion properties of SDSS welded joints? - The pitting corrosion performance of DSS and SDSS welded joints depends on some microstructural features, like ferrite/austenite ratio and chemical composition of phases (to calculate the PREN -pitting resistance equivalent number- of ferrite and austenite). What is the most important factor which determines the final pitting corrosion behavior? Does a more balanced microstructure gives a better pitting corrosion behavior or does it depend on chemical composition of the phases? - The phase compositions depend on the temperature. In which manners does the post welding treatment temperature influence the pitting corrosion performance of a SDSS welded joint? Development of a correlation between microstructure and experimental pitting behavior. -SDSS are more corrosion-resistant but also more prone to precipitation of detrimental phases than DSS. What is the tendency of these alloys to secondary phases formation in relation to isothermal and continuos cooling treatments? Setting-up of a numerical model to predict the final microstructure of DSS and SDSS in relation to these treatments. For future stainless steels development, the availability of satisfactory correlations between composition, microstructure and properties are essential to optimize alloy design. The study of welding of Duplex Stainless Steels has lead, during the PhD work, to the experimental and numerical analysis of welding on other materials. These activities are illustrated in the final part of the thesis.

Gli acciai Duplex e Super Duplex sono leghe inossidabili caratterizzate da elevata resistenza meccanica e alla corrosione. Essi trovano applicazione soprattutto nell'industria chimica, petrolchimica, della carta e negli impianti offshore e di desalinizzazione. La loro resistenza alla corrosione localizzata è un aspetto essenziale, ed è profondamente alterato dai cicli termici imposti dalle operazioni di saldatura. Lo scopo della presente tesi di dottorato è lo studio, sperimentale e numerico, dell’influenza di diversi processi di saldatura e trattamento termico sulla microstruttrura e il comportamento a corrosione di acciai Duplex e Super Duplex, in modo da ottimizzare tutti i materiali e i processi coinvolti in queste operazioni. Le tecniche utilizzate in questo lavoro prevedono: microscopia ottica (LOM), microscopia elettronica a scansione (ESEM), spettroscopia a dispersione di energia (EDS), spettroscopia ottica, test di trazione, misure di microdurezza, curve di polarizzazione anodica, test di corrosione gravimetrici, e modelli numerici sviluppati in SYSWELD 11.0®. Sulla base di una recensione dei risultati pubblicati in letteratura riguardo saldatura, trattamento termico e proprietà di resistenza alla corrosione di acciai Duplex e Superduplex, sono state condotte nuove ricerche, cercando di approfondire i seguenti argomenti: - Nella saldatura di acciai Duplex, i metalli d'apporto utilizzati sono arricchiti in nichel, per garantire una microstruttura finale più bilanciata. Qual è l'impatto di un filo innovativo arricchito in nichel sulla microstruttura, sulle proprietà meccaniche e di resistenza alla corrosione di giunti in acciaio Super Duplex? - Per ristabilire le ottime proprietà di resistenza alla corrosione dei giunti saldati in acciaio Super Duplex, è generalmente previsto un trattamento post-saldatura; qual è l'impatto di questo trattamento sulla microstruttura e sulle proprietà di resistenza alla corrosione per pitting di giunti in Super Duplex? Qual è l'influenza di diversi metalli d'apporto utilizzati in saldatura, sulla microsrtuttura e sulla resistenza alla corrosione per pitting, in relazione a questo trattamento? - Il comportamento a corrosione per pitting degli acciai Duplex e Super Duplex dipende da alcune caratteristiche microstrutturali, quali il rapporto ferrite/austenite e la composizione chimica delle singole fasi (che permette di calcolare il PREN - pitting resistance equivalent number). Qual è il fattore determinante per le proprietà di resistenza alla corrosione per pitting? Può una microstruttura più bilanciata garantire una miglior prestazione a pitting o il comportamento a corrosione dipende dalla composizione chimica delle fasi? - La composizione delle fasi dipende dalla temperatura. In che modo la temperatura di trattamento termico post-saldatura influenza le proprietà di resistenza a pitting dei giunti saldati in acciaio Super Duplex? Sviluppo di una correlazione tra microstruttura e comportamento a pitting ricavato sperimentalmente. - Gli acciai Super Duplex, avendo un maggior contenuto di elementi in lega degli acciai Duplex, garantiscono un miglior comportamento a corrosione, ma allo stesso tempo sono più inclini alla precipitazione di fasi secondarie dannose. Qual è la tendenza di queste leghe alla formazione di fasi secondarie in relazione a trattamenti isotermi e a raffreddamento controllato? Implementazione di un modello numerico per predire la microstruttura finale di acciai Duplex e Super Duplex in relazione a questi trattamenti. Per lo sviluppo futuro degli acciai inossidabili, risulta essenziale disporre di correlazioni tra microstruttura, composizione chimica e proprietà, in modo ottimizzare la progettazione delle suddette leghe. Lo studio della saldatura su acciai inossidabili Duplex, ha condotto, durante lo svolgimento del Dottorato di Ricerca, allo studio sperimentale e numerico della saldatura anche su altri tipi di materiali. Queste attività non sono riportate nel corpo della tesi, ma sono illustrate nella parte finale.