洪慧敏,张 珂,金传伟,胡显军

(江苏省(沙钢)钢铁研究院,张家港 ２１５６２５)

摘 要:采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、布氏硬度计、拉伸试验机等设备对不同温度固溶后Incoloy８２５合金的显微组织、力学性能及耐腐蚀性能等进行了研究.结果表明:当固溶温度在９８０~１０５０ ℃之间时,合金的晶粒尺寸变化不明显,当固溶温度高于１０５０ ℃时,晶粒尺寸以较快的速率增大;随着固溶温度的升高,合金的硬度和抗拉强度逐渐降低,伸长率不断增大;晶界析出相主要是由富含铬、钼的 M２３C６ 碳化物和含铬、镍、铁、钼的金属间化合物组成,晶界析出相的数量随着固溶温度的升高呈现先增多后减少的趋势,固溶温度为１０１５ ℃时晶界析出相最多,此时合金的耐晶间腐蚀性能最差.

关键词:Incoloy８２５合金;固溶处理;析出相;力学性能;晶间腐蚀

中图分类号:TG１６１ 文献标志码:A 文章编号:１０００Ｇ３７３８(２０１７)０８Ｇ００２３Ｇ０４

０ 引 言

镍Ｇ铁Ｇ铬合金具 有 良 好 的 耐 应 力 腐 蚀 开 裂 性能、耐缝隙腐蚀和点腐蚀性能、抗氧化性和还原性热酸性能,主要应用于海洋工程中的管道系统、石油加工中的 热 交 换 器、酸 洗 设 备 中 的 加 热 管 等 方面[１Ｇ３].Incoloy８２５合金是经过钛稳定化处理的奥氏体型镍Ｇ铁Ｇ铬合金,在高温环境下具有较高的硬度和强度,通 过 添 加 钼、铜 等 合 金 元 素,可 用 于 不锈钢难以承受的更为复杂苛刻的腐蚀环境.当合金成分一定 时,合 金 的 耐 蚀 性 能 及 力 学 性 能 主 要取决于其显微组织、析出相的组成及分布等,而不同的热处理工艺对合金的显微组织,晶粒度,析出相的组 成、分 布、数 量 和 尺 寸 等 会 产 生 较 大 的 影响[４Ｇ８],因此 有 必 要 对 合 金 的 热 处 理 工 艺 进 行 研究.通 常,Incoloy８２５ 合 金 的 热 轧 温 度 ９００~１１５０ ℃,冷却方式为水冷或快速空冷.为使合金获得 较 好 的 抗 点 蚀 和 晶 间 腐 蚀 开 裂 能 力,需 在１１５０~１２５０ ℃ 之 间 进 行 固 溶 处 理.目 前,对 于Incoloy８２５合金的 研 究 主 要 集 中 在 晶 间 腐 蚀 原 因分析、析出 相 分 析 等 方 面[１,８],但 对 于 不 同 温 度 固溶处理后其 力 学 性 能、耐 蚀 性 能 的 变 化 规 律 以 及析出相与微 观 结 构、耐 蚀 性 能 相 互 之 间 关 系 的 深入研究较 少.因 此,作 者 对 不 同 温 度 固 溶 处 理 后Incoloy８２５的显微组织、析出相、耐蚀性能及力学性能进行了 研 究,这 对 于优 化 热 处 理 工 艺 及 研 究合金元素的强化机理均有重要的意义.

１．２ 试验方法

根据 GB/T６３９４－２００２«金属平均晶粒度评定方法»,利用蔡司AxioImagerZ１m 型光学显微镜对热处 理 后 试 样 的 晶 粒 度 进 行 评 级;利 用 蔡 司EVOＧ１８型扫描电镜对试样的显微组织和析出相的分布进行观察,腐蚀剂为硫酸铜Ｇ盐酸水溶液(硫酸铜２g,盐 酸 １０ mL,蒸 馏 水 １０ mL);采 用 蔡 司ΣIGMA 型场发射扫描电镜上配备的夹杂物分析系统INCAFeature对试样表面析出物的面积分数进行统计分析;利用碳萃取复型方式将试样中的析出相从基体中分离出来,并用JEMＧ２１００F型场发射透射电镜及牛津仪器INCA Energy３５０型能谱仪对析出相的形貌、结构及成分进行表征.

按照 GB/T２２８．１－２０１０与 GB/T２３１．１－２００９,在 Model５５８５H 型拉伸试验机和英斯特朗 CLB３型布氏硬度计上进行室温拉伸和布氏硬度试验,拉伸试样为?８ mm 的圆棒,各取三个数据的平均值作为试验结果;按照 ASTM G２８－２０１５中方法 A,配制６００mL、质量分数为５０％的沸腾硫酸Ｇ硫酸铁溶液,将不同温度固溶处理后的试样分别称量后浸入到沸腾的溶液中,保持 １２０h 后,洗净、烘干、称量,计算腐蚀速率.

２ 试验结果与讨论

２．１ 固溶温度对显微组织的影响

由图１可以看出:Incoloy８２５合金为单一的奥氏体组织;经过９８０,１０１５,１０５０,１１００,１２００℃固溶处理后,晶粒度级别分别为９．５,９．５,９．０,３．５和１．５级.这说明固溶温度在９８０ ℃~１０５０ ℃之间,晶粒尺寸变化不明显,当固溶温度为１１００ ℃时,奥氏体晶粒急剧长大,当固溶温度为１２００ ℃时,晶粒继续长大.这是因为随着固溶温度的升高,位错密度减小,晶界迁移速度加快,晶粒的长大速度随之加快。

２．２ 固溶温度对力学性能的影响

从图２(a)中可看出:合金的布氏硬度与平均晶粒度有较好的对应关系,随着固溶温度的升高,布氏硬度降低;当固溶温度为９８０~１０５０ ℃时,硬度值的降幅较小,当固溶温度高于１０５０ ℃时,布氏硬度急剧降低,这与平均晶粒度和组织的变化规律一致.从图２(b)中可看出,随着固溶温度的升高,断后伸长率逐渐增大,而抗拉强度的变化趋势与晶粒度和布氏硬度的变化规律基本一致,这说明合金的硬度、强度和塑性与合金晶粒度存在一定的相关性.当固溶温度超过１０５０ ℃后,奥氏体晶粒迅速长大,晶界数量急剧减少,晶粒之间的结合力减弱,因而抗拉强度快速下降,但此时的固溶温度较高,晶粒内部位错数量低,内应力较小,所以反映塑性的断后伸长率快速增大.

２．３ 固溶温度对耐腐蚀性能的影响

由图３(a)中可知,固溶温度为９８０~１２００ ℃时,合金的腐蚀速率和析出相含量(面积分数)随着固溶温度的升高均呈现先增大后减小的趋势,两者的变化规律基本一致.由图３(b),(c)可看出:固溶温度在９８０~１０１５ ℃范围时,组织中出现了大量的晶界析出相,合金的晶粒大小基本相同,这说明析出相对晶界的钉扎作用抑制了晶粒的长大[９Ｇ１１],同时在此温度区间大量析出相的出现导致了晶间腐蚀速率的增大.当固溶温度升高至１０５０ ℃时,晶粒略有长大,如图３(d)所示,这主要是由于此时晶界上的析出相开始溶解,析出相数量有所减少,导致其对晶界的钉扎作用有所减弱.当固溶温度为１１００ ℃时,晶粒尺寸明显增大,如图３(e)所示,晶界无明显的析出物出现,对应的晶间腐蚀速率降低.当固溶温度为１２００ ℃ 时,如 图 ３(f)所 示,与 固 溶 温 度 为１１００ ℃时相比,晶界析出物基本相同,晶粒尺寸增大,但晶间腐蚀速率无明显变化,这说明晶粒尺寸对晶间腐蚀速率无明显影响。

２．４ 析出相的微观形貌

由图４可知:９８０ ℃固溶处理后试验合金的析出相主要为面心立方结构 M２３C６ 碳化物,M 以铬、钼元素为主,以及还有富含铬、镍、铁、钼等的金属间化合物;这两种析出相均富含铬元素,且析出相沿晶界分布.由于铬元素向晶界的扩散速度低于其向晶内聚集的速度,导致晶界周围形成了贫铬区[１２],晶界易被腐蚀,这可以很好地解释了图３(a)中出现的析出相增多而对应晶界腐蚀速率却增大的现象.

３ 结 论

(１)随着固溶温度的升高,Incoloy８２５合金的晶粒尺寸呈增大的趋势,当温度在９８０ ℃~１０５０ ℃之间时,晶粒尺寸增大不明显,当温度高于１０５０ ℃时,晶粒尺寸以较快的速率增大;Incoloy８２５合金的硬度和抗拉强度逐渐降低,伸长率不断增大.

(２)Incoloy８２５合金经过固溶处理后,晶界析出相主要是由富含铬、钼的 M２３C６ 碳化物和含铬、镍、铁、钼的金属间化合物组成.

(３)随着固溶温度的升高,Incoloy８２５ 合金的晶界析出相的数量先增加后减少;晶间腐蚀速率呈现先增大后减小的趋势,固溶温度为１０１５ ℃时晶界析出相最多,腐蚀速率最大。

文章来源：材料与测试网