Inconel 718概要：

Inconel 718是沉淀強(qiáng)化的鎳基高溫高強(qiáng)合金

Inconel 718在－253～700℃溫度范圍內(nèi)具有良好的綜合性能，650℃以下的屈服強(qiáng)度居變形高溫合金的首位，并具有良好的抗疲勞、抗輻射、抗氧化、耐腐蝕性能，以及良好的加工性能、焊接性能和長期組織穩(wěn)定性，能夠制造各種形狀復(fù)雜的零部件，在宇航、核能、石油工業(yè)中，在上述溫度范圍內(nèi)獲得了極為廣泛的應(yīng)用。

該合金的另一特點(diǎn)是合金的組織對熱加工工藝特別敏感，掌握合金中相析出和溶解規(guī)律及組織與工藝、性能間的相互關(guān)系，可針對不同的使用要求制定合理、可行的工藝規(guī)程，就能獲得可滿足不同強(qiáng)度級(jí)別和使用要求的各種零件。

1?試驗(yàn)材料及方法

1.1?試驗(yàn)用料

試驗(yàn)用Inconel718合金經(jīng)真空感應(yīng)熔煉加電渣重熔雙聯(lián)工藝冶煉而成，再經(jīng)均勻化處理并軋制成90 mm×18mm的板材，其成分見表1。

1.2?試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)選取以下4種常用熱處理工藝：

No.1:1025 ℃×2 h(WQ)+775℃×7 h(AC)(工藝簡稱：1025℃固溶時(shí)效);

No.2:1050℃×1 h(AC)+720℃×8 h(FC,50℃/h)+620℃×8h(AC)(工藝簡稱：1050℃固溶時(shí)效);

No.3:950℃×1 h(AC)+720℃×8 h(FC,50℃/h)+620℃×8h(AC)(工藝簡稱：950℃固溶時(shí)效);

No.4:720℃×8h(FC,50℃/h)+620℃×8h(AC)(工藝簡稱：直接時(shí)效)。

經(jīng)過熱處理后的試樣將進(jìn)行力學(xué)測試。沖擊實(shí)驗(yàn)將會(huì)在JB-30B型沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)上依照《GB/T229-2007金屬材料夏比擺錘沖擊實(shí)驗(yàn)方法》進(jìn)行。拉伸實(shí)驗(yàn)將在CMT-4105型萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)上依照《GB/T228-2002金屬材料室溫拉伸實(shí)驗(yàn)方法》進(jìn)行。我們使用MEF4M型光學(xué)顯微鏡對組織進(jìn)行觀察，并按照《GB/T6394-2002金屬平均晶粒度測定法》的截點(diǎn)法對晶粒進(jìn)行評(píng)級(jí)。用S-4300掃描電鏡(SEM)分析合金中δ相和碳化物的形貌、分布，同時(shí)用電鏡上的能譜儀(EDS)進(jìn)行碳化物成分分析。使用H-800透射電子顯微鏡（TEM）來研究合金中彌散強(qiáng)化相的外貌、分布以及物相鑒定。通過將試樣分別置于10g/L硫酸銨+10g/L檸檬酸水溶液和5%HCl+5%甘油+1%檸檬酸甲醇溶液中進(jìn)行萃取，然后經(jīng)過洗滌和干燥處理，最后進(jìn)行XRD實(shí)驗(yàn)以確定合金中彌散強(qiáng)化相的析出量。

2?試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1?四種熱處理工藝對合金組織的影響

圖1展示了合金在四種不同熱處理工藝下的顯微組織照片。由于時(shí)效處理溫度較低，所以時(shí)效過程對合金的晶粒尺寸幾乎沒有影響，合金的晶粒尺寸主要受到固溶溫度的控制。觀察到，經(jīng)過1025℃×2小時(shí)的固溶處理（見圖1a）和1050℃×1小時(shí)的固溶處理（見圖1b）后，晶粒尺寸明顯變粗，約為50微米；而經(jīng)過950℃×1小時(shí)的固溶處理后，奧氏體晶粒尺寸沒有變化（見圖1c），與直接時(shí)效（見圖1d）一樣，都由大量等軸細(xì)晶和少量未再結(jié)晶的扁晶組成，平均晶粒尺寸在4至5微米之間。

根據(jù)圖2所示，對于4種熱處理工藝，1025℃時(shí)效和1050℃時(shí)效的晶粒尺寸評(píng)級(jí)結(jié)果為5～6級(jí)，而950℃時(shí)效和直接時(shí)效的晶粒尺寸評(píng)級(jí)結(jié)果為12～13級(jí)。這個(gè)現(xiàn)象與文獻(xiàn)報(bào)道的Inconel718合金的靜態(tài)再結(jié)晶溫度為1020℃及晶界析出δ相對晶粒的釘扎作用相符合。也就是說，在低于965℃的保溫條件下，由于晶界析出的δ相未溶解，會(huì)產(chǎn)生釘扎作用，使得晶粒無法顯著增長。由于δ相完全溶解溫度為1038℃,故在1025℃×2h固溶時(shí)，δ相大部分溶解；1050℃×1h固溶時(shí)，δ相完全溶解。此刻，δ相的釘扎效應(yīng)相對較小或沒有釘扎效應(yīng)。同時(shí)，在1025℃和1050℃固溶時(shí)，固溶溫度均在Inconel718合金的靜態(tài)再結(jié)晶溫度以上，所以1025℃時(shí)效和1050℃時(shí)效的晶粒長大速度加快，顯著粗化。在950℃時(shí)效時(shí)，既存在δ相的釘扎作用，又處于靜態(tài)再結(jié)晶溫度以下，因此晶粒變得更細(xì)小。

在圖3中展示了在4種熱處理工藝下合金組織中δ相和碳化物的形態(tài)、分布以及碳化物的能譜圖。我們可以觀察到，在合金中δ相的析出過程中，它們都是沿著晶界發(fā)生析出的。而且，不同的熱處理工藝會(huì)導(dǎo)致δ相的形態(tài)和數(shù)量有明顯的差異。1025℃時(shí)效時(shí)(圖3a),δ相主要以顆粒狀沿晶界分布，并有少量尺寸小于3μm的棒狀δ相分布于晶界，這些棒狀δ相是在1025℃保溫過程中為減小系統(tǒng)的界面能，由近鄰的顆粒狀δ相相互結(jié)合而成；1050℃時(shí)效時(shí)(圖3b),δ相全溶于奧氏體基體，晶界無δ相；950℃時(shí)效時(shí)(圖3c),δ相主要以塊狀大量析出，尺寸在1~5μm之間；直接時(shí)效時(shí)(圖3d),δ相沿部分晶界呈網(wǎng)狀連續(xù)分布，認(rèn)為該工藝所產(chǎn)生的δ相是在熱軋階段生成的。所以，固溶時(shí)效溫度為950℃時(shí)析出的數(shù)量最多，其次是直接時(shí)效、1025℃固溶時(shí)效，最后是1050℃固溶時(shí)效。

同時(shí)，由圖3可見，碳化物在晶內(nèi)和晶界均有析出，并且晶界上的碳化物尺寸更為粗大。其能譜測定(EDS)結(jié)果如圖3(e)所示，該碳化物為富Nb、Ti的

(Nb,Ti)C,屬于MC型碳化物，其含量大約為Nb87%、Ti7%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)。大量研究 已證實(shí)，Inconel718合金中MC型碳化物的形成溫度在1200℃左右。因此本試驗(yàn)中的熱處理工藝對碳化物析出形貌和析出量無影響。

2.2?微細(xì)析出相γ”、γ'相

在不同熱處理工藝下，圖4展示了Inconel718合金中的彌散強(qiáng)化相γ和γ"相在析出形貌以及衍射斑標(biāo)定結(jié)果?？梢钥闯觯⒓?xì)析出相γ'、γ"相尺寸按1025℃固溶時(shí)效(見圖4a)、直接時(shí)效(見圖4d)、950℃固溶時(shí)效(見圖4c)、1050℃固溶時(shí)效(見圖4b)順序細(xì)化。在775℃×7h的單時(shí)效(見圖4a)時(shí)，由于γ、γ"相的析出溫度較高，易于長大，因此明顯粗化。在直接時(shí)效處理中，由于該工藝沒有進(jìn)行高溫固溶處理，所以熱軋階段形成并儲(chǔ)存在材料中的應(yīng)力應(yīng)變沒有經(jīng)過高溫回復(fù)和釋放的過程。貯存的變形能促進(jìn)了微細(xì)相的形核，使得γ、γ"相容易形核、長大速率相對較快。在進(jìn)行1050℃固溶時(shí)效和950℃固溶時(shí)效時(shí)，都是在相當(dāng)穩(wěn)定的固溶組織中進(jìn)行雙時(shí)效處理。此時(shí)，γ^相和γ"相的析出尺寸均較為細(xì)小，兩者之間的差異并不明顯。

從微細(xì)相的析出數(shù)量來說，4種熱處理工藝的強(qiáng)化相γ^、γ"的數(shù)量如表2所示。由于1025 ℃固溶時(shí)效是一個(gè)單時(shí)效過程，因此其析出量最少。直接時(shí)效工藝，未經(jīng)固溶處理，組織中儲(chǔ)存的形核能較大，γ、γ"相易于析出，析出量最多。1050℃固溶時(shí)效與950℃固溶時(shí)效的時(shí)效工藝完全一樣，強(qiáng)化相數(shù)量上的差異跟δ相形成過程中所造成的基體中γ相(Ni?(Al、Ti))形成元素的濃度起伏，易于γ相形核有關(guān)。

同時(shí)，在本試驗(yàn)的時(shí)效溫度范圍內(nèi)存在γ→γ"→δ的轉(zhuǎn)變，但γ→γ”→δ轉(zhuǎn)變速度緩慢，僅在熱處理時(shí)間范圍內(nèi)，其轉(zhuǎn)變量是極其微量的，所生成的γ相、γ"相、δ相均可認(rèn)為是自奧氏體基體中一次生成的。

2.2?力學(xué)性能

表3給出了Inconel718合金經(jīng)4種常用熱處理后的室溫力學(xué)測試數(shù)據(jù)。由表3可以看出，強(qiáng)度按1025℃時(shí)效、1050 ℃時(shí)效、950 ℃時(shí)效、直接時(shí)效順序遞增。

Inconel718合金的強(qiáng)度水平在不同熱處理工藝后受以下三個(gè)重要因素的影響：1)強(qiáng)化相析出數(shù)量的差異。該合金的強(qiáng)化主要是通過γ相和γ"相的彌散作用實(shí)現(xiàn)的。與此同時(shí)，γ'相和γ"相與奧氏體基體之間保持著完全的共格和半共格的關(guān)系，其中包括(001)面、1/{001}面以及[100]方向和//<100>[9]方向。數(shù)量越多，在其析出尺寸一定的情況下，彌散分布的密度越高，對位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用越大，強(qiáng)度越高。結(jié)合表2和表3,析出相數(shù)量與強(qiáng)度的對應(yīng)關(guān)系證實(shí)了此觀點(diǎn)。2)小晶體的強(qiáng)化效果。由圖2知，4種熱處理工藝之間的晶粒度差別較大，即1025℃固溶時(shí)效和1050℃固溶時(shí)效的晶粒尺寸顯著大于950℃固溶時(shí)效和直接時(shí)效的晶粒尺寸。材料強(qiáng)度與晶粒尺寸之間的關(guān)系可以用Hall-Petch方程來表示：YS與h乘以D的倒數(shù)的平方成正比。這里，YS代表材料強(qiáng)度。為細(xì)晶強(qiáng)化強(qiáng)度增量，MPa;k,為比例系數(shù)；D為有效晶粒尺寸，mm。)。當(dāng)$k$的值為17.4MPa·mm'^(-u)，將1025℃固溶時(shí)效和1050℃固溶時(shí)效的有效晶粒尺寸設(shè)為50μm，950℃固溶時(shí)效和直接時(shí)效的晶粒尺寸設(shè)為4.5μm，代入上述公式可得到細(xì)晶強(qiáng)化強(qiáng)度增量的理論值約為180MPa?？梢?，細(xì)晶強(qiáng)化對其強(qiáng)度影響較大，不容忽視。3)強(qiáng)化析出相γ'、γ"的粗化作用。對比4種工藝的屈強(qiáng)比可知，γ、γ"相的粗化降低了Inconel718合金的屈強(qiáng)比。1025℃時(shí)效的屈強(qiáng)比0.707,顯著低于其它各熱處理工藝的屈強(qiáng)比。主要是由于強(qiáng)化相γ、γ"的粗化造成的。在保持析出相數(shù)量不變的情況下，析出相的尺寸越大，對位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用越小，導(dǎo)致材料的屈服強(qiáng)度降低。

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)顯示，在材料的塑韌性方面，沖擊功值的大小順序依次為1050℃固溶時(shí)效、1025℃固溶時(shí)效、直接時(shí)效以及950℃固溶時(shí)效。另外，針對1025℃固溶時(shí)效和1050℃固溶時(shí)效來說，斷后伸長率和斷面收縮率基本上相差無幾，都大約在30%和50%左右；對于950℃固溶時(shí)效和直接時(shí)效來說，斷后伸長率和斷面收縮率也基本相差不大，都大約在22%和40%左右。結(jié)合圖2、圖3和表3,得出影響Inconel718合金的沖擊吸收功的因素為δ相的數(shù)量和形狀。沖擊吸收功受δ相析出量影響很大，即δ相析出量越多其沖擊韌性越差。由于δ相與Inconel718合金基體之間的接觸界面是相界，是大角度晶界，并且與基體沒有共格關(guān)系。另外，δ相自身可以通過斷裂形成微細(xì)裂紋，并借助微孔的聚合生長機(jī)制來促進(jìn)裂紋的擴(kuò)展。因此，δ相無法容納塑性變形。材料的斷裂韌性明顯受到過多的δ相的負(fù)面影響。另外，δ相的析出形狀對Inconel718合金的在塑韌性也有明顯影響。在1025℃固溶時(shí)效(見圖3a)時(shí)，δ相主要以顆粒狀析出，顆粒狀δ相對材料基體的連續(xù)性影響較小，因此其塑韌性與無δ相析出的1050℃固溶時(shí)效差別不大。直接時(shí)效時(shí)，δ相沿晶界呈不連續(xù)的網(wǎng)狀分布，主要為棒狀析出，明顯降低了材料的塑韌性。在進(jìn)行950℃固溶時(shí)效時(shí)，δ相會(huì)以不連續(xù)的塊狀形式出現(xiàn)，破壞了基體的連續(xù)性，從而導(dǎo)致材料的塑韌性變得最差。從美國石油協(xié)會(huì)關(guān)于Inconel718合金的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，可以得知它對δ相數(shù)量和網(wǎng)狀δ相的沿晶析出有嚴(yán)格的控制要求，以確保合金具有良好的塑性和韌性。因此，對于石油化工和海洋應(yīng)用中的Inconel718合金，控制δ相析出的數(shù)量和形態(tài)是至關(guān)重要的。

細(xì)化晶粒有助于提升一般材料的可塑性和韌性。但從表3的結(jié)果來看，雖然950℃固溶時(shí)效和直接時(shí)效的晶粒尺寸明顯細(xì)于1025℃固溶時(shí)效和1050℃固溶時(shí)效，但其塑韌性還是明顯下降。說明對于Inconel718合金，不同熱處理工藝處理時(shí)，對合金的塑韌性起決定作用的因素是δ相的析出數(shù)量與相貌。

綜上，不同的熱處理工藝對Inconel718合金材料的組織、結(jié)構(gòu)有明顯影響，也決定了其力學(xué)及其它性能。從而可以根據(jù)不同的用途合理選取熱處理工藝，充分發(fā)揮Inconel718合金的綜合性能。

3?結(jié)論

1)?Inconel718經(jīng)950℃x1h固溶及直接時(shí)效時(shí)，合金晶粒度較細(xì)，為12～13級(jí)；經(jīng)1025℃×2 h及1050℃x1h固溶后，合金晶粒顯著粗化，為5～6級(jí)；

2)Inconel718合金經(jīng)950 ℃固溶時(shí)效時(shí)，δ相呈塊狀大量析出；直接時(shí)效時(shí)，δ相在部分晶界呈網(wǎng)狀連續(xù)析出；1025℃固溶時(shí)效時(shí)，δ相以不連續(xù)顆粒狀析出；在1050℃固溶時(shí)效時(shí)，無δ相析出。同時(shí)，晶界δ相的析出對晶粒的粗化起著有效的釘扎作用，抑制晶粒長大；

3)Inconel718合金經(jīng)不同熱處理工藝后的強(qiáng)度跟強(qiáng)化相γ、γ"的數(shù)量及晶粒度有關(guān)，且強(qiáng)化相γ'、γ"的粗化降低了材料的屈強(qiáng)比；其塑韌性主要決定于δ相的數(shù)量及形貌。