1.概述

鎳基合金Inconel718(相當(dāng)于中國的GH169)[1]是一種時效硬化的Ni- Cr- Fe基高溫合金[2]。在20世紀(jì)50年代后期開始研發(fā)，早期的應(yīng)用研究則歸屬于美國通用電氣公司，主要被用于飛機的渦輪盤材料。20世紀(jì)60年代至70年代初期，合金的研究主要集中在合全元素的作用及試圖了解冶煉、熱加工及熱處理過程中出現(xiàn)復(fù)雜析出相的特征及對力學(xué)性能的影響。20世紀(jì)80年代以來，研究工作則側(cè)重于析出相的析出規(guī)律、長大動力學(xué)及強化機制等]。該合金在高溫、應(yīng)力、腐蝕介質(zhì)環(huán)境下具有良好的力學(xué)性能和耐蝕性[4]。但組織對其耐蝕性能的影響以及合金在高溫高壓H?S/CO?介質(zhì)中耐蝕性的研究還處于初始階段。本工作研究了不同固溶溫度和時效處理對Inconel718鎳基合金微觀組織、力學(xué)性能及耐蝕性能的影響。

1?試驗材料及方法

1.1?試驗材料

本實驗所采用的材料為鍛造的Inconel718鎳基高溫合金。Inconel718合金的化學(xué)成分如表1所示。

1.2試驗方法

1.2.1?熱處理設(shè)備及工藝 熱處理爐型號為RJX-8-13的箱式電阻爐。

熱處理工藝為：

(1)固溶處理：溫度為940,960,980,1000 ℃,保溫時間1h,空冷。

(2)時效處理：720 ℃保溫8h后經(jīng)50 ℃h冷卻到620 ℃保溫8h,空冷。

1.2.2?金相顯微鏡觀察 采用CK40M型OL YMPUS顯微鏡對熱處理態(tài)合金試樣的金相組織進(jìn)行觀察及拍照。

1.2.3掃描電鏡觀察 采用S-360型掃描電子顯微鏡(帶能譜儀)對熱處理態(tài)合金試樣的組織形貌及腐蝕試樣的表面形貌進(jìn)行觀察。

1.2.4?硬度測試 采用HXS- 1000A智能顯微硬度儀進(jìn)行顯微硬度測試。每個試樣測出多組數(shù)據(jù)，取其平均值。

1.2.5?電化學(xué)實驗 電化學(xué)測試由CHI660C電化學(xué)分析儀完成，采用三電極體系：輔助電極為石墨惰性電極；參比電極選用飽和甘汞電極。實驗介質(zhì)為體積分?jǐn)?shù)為5%的Na?SO?溶液，用H?SO?溶液調(diào)節(jié)pH值，使pH值等于3,溫度為35 ℃。實驗前用高純N?排空空氣，實驗中也通以N?保持電極所處的環(huán)境不變。主要測合金的極化曲線和交流阻抗。

1.2.6?應(yīng)力腐蝕實驗 根據(jù)《金屬和合金應(yīng)力腐蝕實驗》GB/T15970.3(U型彎曲試驗的制備和應(yīng)用)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實驗。

試樣制備：將不同熱處理后的Inconel718合金線切割成67.3 mm×4.57 mm ×1.52 mm的條狀，用夾具彎曲成U形。

實驗方法：固定應(yīng)變作用下，置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的NaCl、3g/L單質(zhì)S、pH=3的腐蝕介質(zhì)中，介質(zhì)溫度205 ℃,H?S分壓9 MPa,CO?分壓6MPa,實驗周期720 h。取出試樣后用水和酒精擦洗干凈，借助掃描電鏡觀察腐蝕程度，評價該合金耐高溫高壓H?S/CO?應(yīng)力腐蝕性能。

2?結(jié)果與討論

2.1?熱處理對合金組織的影響

2.1.1?金相分析?Inconel718合金經(jīng)不同的熱處理之后其金相組織見圖1、圖2。

2.1.2?掃描電鏡分析 為了分析時效處理后析出相的形態(tài)，對試驗進(jìn)行掃描電鏡觀察，如圖3所示。

由圖3可以看出在晶內(nèi)和晶界上都有析出相。文獻(xiàn)[5]中指出鎳基高溫合金時效后有γ"相、Y'相、δ相及碳化物析出。Y"(Ni?Nb)是主要強化相，尺寸非常細(xì)小，Y"相是一個亞穩(wěn)定的過渡相，在適當(dāng)?shù)臈l件下將會轉(zhuǎn)變成正交結(jié)構(gòu)的δ-Ni?Nb,δ呈短棒狀在晶界析出。γ'相是(Ni,Co)?(Al,Ti)形式，其形狀與基體晶格錯配有關(guān)，當(dāng)發(fā)生0～0.2%錯配時，γ'為球狀；當(dāng)錯配上升到0.5%～1.0%時，變?yōu)榱⒎襟w；當(dāng)錯配達(dá)1.25%以上后，變成板條狀。MC(TiC,NbC)通常呈粗大不規(guī)則形態(tài)或，它們經(jīng)常存在枝晶間。M?C(Cr??C?)呈塊狀在晶界析出。

2.2?熱處理對合金硬度的影響

本研究中合金的強度用維氏硬度試驗來表征，通常，合金的硬度和拉伸強度的關(guān)聯(lián)性比和屈服強度的關(guān)聯(lián)性要好，熱處理對合金硬度的影響主要取決于合金中γ"和γ'相的形態(tài)、尺寸和分布。

不同溫度固溶、固溶+時效處理后硬度值如圖4所示。

從圖4可以看出，固溶處理后合金的硬度隨著溫度的升高而減小。固溶+時效處理后合金的硬度隨著溫度的升高先是增大再減小，到980 ℃時達(dá)到最大值，且硬度值比僅固溶處理的增加約一倍。

當(dāng)固溶溫度過低時，合金組織中除了有奧氏體基體相還有第二相(如γ"、Y'相)并沒有完全溶于基體中，由于存在未溶解的第二相強化使合金的硬度值較高。隨著固溶溫度的升高第二相會逐漸溶解到奧氏體基體中，第二相的強化作用減弱，合金的硬度值逐漸下降。同時隨著溫度繼續(xù)升高，合金的晶粒尺寸增大，硬度值下降。

對于固溶+時效處理時，時效處理后的硬度比固溶處理后的大的多，這主要就是因為時效處理后有很多細(xì)小的析出相，如γ"相這種主要強化相，而且在980 ℃時析出相達(dá)到最多，并且呈細(xì)小彌散狀分布在晶粒內(nèi)及晶界上，使得強化效果達(dá)到最佳。

高溫合金主要依賴于第二相強化，強化相主要是γ'-Ni3Al,Y"-Ni?Nb相。合金時效處理后有γ"和γ'相析出，且均勻彌散分布，故第二相強化效果顯著，時效處理后強度、硬度比時效前高。

2.3?熱處理對合金耐蝕性能的影響

由于合金在980 ℃固溶處理時力學(xué)性能最好，在保證合金力學(xué)性能最好的條件下研究其耐蝕性能，所以只研究980 ℃固溶和980 ℃固溶+時效處理對合金耐蝕性能的影響。

2.3.1極化曲線對比

980 ℃固溶和980 ℃固溶+時效處理樣品的極化曲線如圖5所示。

從圖5中可以看出980 ℃固溶處理后合金的致鈍電流imax為：3×10??A/cm2;維鈍電流ip為：1×10-?A/cm2;而時效處理合金的致鈍電流ima為：3.2×10?A/cm2;維鈍電流i為：1×10?A/cm2。從所測得的數(shù)據(jù)可以看出980 ℃固溶處理后的致鈍電流、維鈍電流比時效處理后的小。致鈍電流越小說明合金越易鈍化，也就是易形成鈍化膜，這樣合金就更耐腐蝕；維鈍電流越小鈍化膜的保護(hù)性也越好，鈍化膜保護(hù)性好說明合金耐腐蝕[8-9]。故固溶處理比固溶+時效處理后的合金耐蝕性好。

2.3.2?電化學(xué)阻抗譜

980 ℃不同熱處理的電化學(xué)阻抗譜和等效電路圖、等效電路元件參數(shù)如圖6,7及表2所示。

2.3.3 H?S/CO?應(yīng)力腐蝕實驗

經(jīng)H?S/CO?應(yīng)力腐蝕實驗前后試樣的宏觀形貌分別如圖8(a)、(b)所示。

掃描電鏡觀察U型試樣頂部應(yīng)力腐蝕程度如圖9所示。

從圖9中可見，無論是980 ℃固溶還是980 ℃固溶+時效的試樣經(jīng)過720 h的H?S/CO?應(yīng)力腐蝕試驗后，表面僅有部分點蝕坑，沒有腐蝕微裂紋產(chǎn)生。根據(jù)GB/T15970.3標(biāo)準(zhǔn)的檢測規(guī)定，試樣暴露在規(guī)定的周期后，試樣沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，說明該試驗是耐應(yīng)力腐蝕的。上述實驗結(jié)果表明Inconel718合金耐H?S/CO?應(yīng)力腐蝕性能較好。