高氮马氏体不锈钢具有优异的力学性能和耐腐蚀性能,具有广阔的应用前景。利用传统熔焊方式焊接高氮马氏体不锈钢,会不可避免地导致氮逸出、氮气孔生成等诸多缺陷,会恶化其力学和耐腐蚀性能,限制了高氮马氏体不锈钢的推广应用。作为固相连接技术的搅拌摩擦焊优势明显,因其在焊接过程中焊缝区材料处于热塑性状态而避免从液相到固相的转变,从而避免氮逸出、凝固裂纹等问题。但是,由于焊缝与母材间常存在组织和性能上的差异,导致焊缝与母材过渡区成为焊接件最薄弱之处。为缓解两部分间的性能梯度,对焊接接头进行合适的焊后热处理是非常必要的。本文以高氮马氏体不锈钢30Cr15Mo1N为研究对象,利用搅拌摩擦焊接技术在固定搅拌头旋转速度为300 rpm、焊接速度为50 mm/min和100 mm/min的参数下对其进行焊接,通过金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)和电子背散射衍射(EBSD)等手段,研究焊接接头的微观组织演变,并利用显微硬度仪测定焊接件的硬度,利用电化学阻抗谱和动电位极化曲线的方法测定焊接件的耐腐蚀性能,探索焊接速度对焊接件的组织和性能的影响,阐释微观组织演变与力学和耐腐蚀性能间的联系。随后,对焊缝进行焊后热处理,利用OM、SEM、XRD等手段分析焊后热处理对焊接件的组织影响,通过硬度测定评价焊后热处理对焊接接头力学性能的影响,利用阳极极化曲线和电化学阻抗谱研究热处理后焊接件的耐腐蚀性能和钝化膜性能。获得焊后热处理对搅拌摩擦焊接高氮马氏体不锈钢性能的影响。得出以下主要结论:高氮马氏体不锈钢的搅拌摩擦焊接件整体变形量小,各焊接速度下焊缝质量良好,焊缝表面无明显的飞边、孔洞、沟槽等表面缺陷,焊缝内部组织致密,无孔洞、隧道型等内部缺陷;焊缝氮含量的检测结果表明,焊接过程中基本无氮损失。各焊接速度下焊缝横截面明显分为四个区域,即母材区、热影响区、热机影响区和焊核区。母材由板条马氏体和富铬的碳、氮化物粒状析出物组成;焊核区不存在明显的析出物,焊核区上部晶粒尺寸大于下部。由于搅拌摩擦焊过程中独特的材料流动及应力分布,焊核区与热机影响区在前进侧的交界较返回侧更明显,前进侧的热机影响区宽于返回侧,前进侧焊核区存在由于搅拌针在快速搅动过程中与金属材料摩擦导致碎屑剥落堆积而成的白色带状组织。与50 mm/min下相比,100 mm/min焊核区与热机影响区在前进侧的交界较更为明显,热机影响区宽度更大,热影响区宽度更小。母材和焊核区的TEM观察表明,母材区存在较多的析出物和较低的位错密度,不同焊接速度下焊核区以低位错密度为主,未发现明显的析出物。XRD及EBSD结果显示,在搅拌摩擦焊接过程中,焊核区内的马氏体转变为奥氏体,且焊接速度越小,焊缝峰值温度越高,马氏体转变程度越大。由EBSD取向图及晶界图可知,由于300 rpm,50 mm/min较300 rpm,100 mm/min在焊缝中产生的热量更多,使得前者的晶粒尺寸大于后者的晶粒尺寸;经搅拌摩擦焊后,相较于母材,焊缝中的Σ3孪晶晶界密度变小、小角度晶界LABs密度变大,表明焊接过程中剧烈的搅拌作用打碎原有的组织结构并在摩擦热和塑性变形的影响下重新形核、发生动态再结晶,形成新的晶粒。焊核区硬度相较于母材大幅降低,在前进侧焊核区与热机影响区的交界附近存在突变峰,在两侧的热影响区,随着相比例的逐渐变化,其硬度值逐渐从焊核区硬度值爬升至母材硬度值。在横向中心线上,焊接速度越大,热影响区越窄,硬度降低区越窄;在纵向中心线上,焊接速度越大,硬度值越大。阳极极化曲线和电化学阻抗谱结果表明,焊核的耐腐蚀性能优于母材,焊核下部的耐腐蚀性能优于焊核上部,而300 rpm,50 mm/min焊核上、下部的耐腐蚀性能相应地优于300 rpm,100 mm/min焊核上、下部的耐腐蚀性能,焊接速度越小,越有利于耐腐蚀性能。热处理后焊接接头横截面不具有热处理前的分区现象,原有经腐蚀后产生的白色轮廓消失而呈棕色,在焊核区前进侧可以发现明显的边界线及搅拌针碎屑留下的痕迹;焊核区内为马氏体组织,焊核上部较焊核下部拥有较多的二次相析出物;300 rpm,100 mm/min较300 rpm,50 mm/min具有更明显的前进侧焊核区与热机影响区交界线。经过焊后热处理,无论从横向或是纵向观察,高氮马氏体不锈钢搅拌摩擦焊接头焊核区的硬度恢复到母材水平,原有焊核区与热机影响区在前进侧的硬度突变峰消失,焊核区上、下部硬度差异被基本消除,焊接接头的整体硬度分布水平差异减少并趋于一致,不同焊接速度下的热处理后焊接接头硬度分布相似。经过焊后热处理,高氮马氏体不锈钢搅拌摩擦焊接头焊核区上、下部耐腐蚀性能稍逊于未经热处理的试样,且下部耐蚀性优于上部,但仍明显优于母材的耐腐蚀性能,不同焊接速度下的热处理后焊接接头耐腐蚀性能相似。