晶界工程處理對Incoloy825合金耐晶間腐蝕性能的影響

雖然鎳基Incoloy825合金的良好力學性能和耐腐蝕性能使其在機械?；さ裙I(yè)設備中被廣泛采用，但在其服役過程中與晶界有關的晶間腐蝕。晶間應力腐蝕開裂一直是鎳基合金重要的失效形式。晶界兩側(cè)晶粒重合位置點陣（coincidence site lat-tice，CSL）密度的倒數(shù)Σ不超過29的晶界被認為是低ΣCSL晶界，其結(jié)構有序度高，能量較低，具有優(yōu)于隨機晶界的性能，如元素在這些晶界偏聚傾向性小、抗腐蝕、抗開裂等性能。

為了優(yōu)化和提高材料的性能，WATANABE首先提出了“晶界設計與控制”的概念，這一概念逐級發(fā)展成為晶界工程（grain boundary engineering，GBE）研究領域，即通過合適的形變和熱處理工藝來提高特殊結(jié)構晶界的比例并控制晶界網(wǎng)絡分布，從而顯著改善與晶界有關的多種性能。晶界工程已經(jīng)成功地應用于多種具有低層錯能的面心立方結(jié)構金屬材料，如奧氏體不銹鋼、鉛合金、鎳基合金、銅合金等，提高了這些材料與晶界相關的多種性能。然而，目前多數(shù)研究工作都停留在實驗室晶界工程處理以及性能驗證。要想將晶界工程應用于生產(chǎn)中，必須在工廠生產(chǎn)用設備上開展晶界工程處理，并進行性能檢驗。

本工作利用工廠生產(chǎn)用設備對Incoloy825合金管材進行晶界工程處理，獲得高比例的低ΣCSL晶界，通過晶間腐蝕試驗研究晶界工程處理對Incoloy825合金管材耐晶界腐蝕性能的作用。

試驗

1 試樣制備

以固溶態(tài)Incoloy825合金管作為原始材料，其化學成分（質(zhì)量分數(shù)）：23.5%Cr，23.00%Fe，0.01%C，0.20%Al，0.90%Ti，0.45%Si，3.00%Mo，0.80%Mn，2.25%Cu，0.015%S，0.025%P，余量為Ni、運用工廠生產(chǎn)用YLB-B-5/20-15型冷拔機對Incoloy825合金管材冷拔5%后，在1050℃保溫15min并快速冷卻，標記為GBE試樣。將原始Incoloy825合金管在1050℃保溫15min并快速冷卻，標記為NonGBE試樣。然后對GBE和NonGBE試樣進行750℃保溫15h的敏化處理（Sen）并空冷，分別標記為GBE-Sen和NonGBE-Sen試樣。

2 性能表征及腐蝕試驗

用光學顯微鏡（OM）觀察各試樣的顯微組織。利用配備在CamScan Apollo300熱場發(fā)射槍掃描電子顯微鏡（SEM）中的HKL-EBSD附件對試樣表面微區(qū)逐點逐行進行掃描，掃描步長為3μm，掃描區(qū)域為1050μm×660μm；測試結(jié)果采用HKL-Channel5軟件分析處理，測量系統(tǒng)采用Palumbo-Aust標準確定晶界類型。兩側(cè)晶粒不具有低ΣCSL取向關系的晶界稱為隨機晶界（Random boundary）。

將上述制備好的試樣用線切割方法沿管子軸向平均剖開成4份，截取30mm高，表面積約9cm2的腐蝕試樣進行晶間腐蝕試驗。腐蝕試樣經(jīng)機械研磨。拋光，再經(jīng)電解拋光獲得干凈的表面，然后清洗。干燥。測量計算其表面積及稱量（精確到0.1mg）。采用ASTM A262C法進行晶間腐蝕試驗，根據(jù)標準，晶間腐蝕溶液為（65±0.2）%（質(zhì)量分數(shù)）硝酸溶液。將各腐蝕試樣放入1000mL配有冷凝裝置的寬口錐形瓶中，并用750mL的硝酸溶液浸泡，腐蝕試樣之間彼此不接觸。將錐形瓶放在加熱板上加熱，至硝酸溶液沸騰，并在測試期間保持酸液沸騰。每隔96h取出試樣，先用水沖洗，再在流動水下用橡膠刷進行擦洗去掉試樣表面黏附的腐蝕產(chǎn)物，然后在酒精中清洗，再用電吹風將試樣烘干，最后對各試樣再次稱量，并用光學顯微鏡和掃描電鏡觀察腐蝕后試樣的表面形貌。這樣的腐蝕過程共進行7個周期，每個周期完畢后更換新的腐蝕溶液，7個周期完畢獲得每個試樣的腐蝕失重曲線。

結(jié)果與討論

圖1 GBE和NonGBE試樣的顯微組織和晶界形貌

從圖1（a，b）中可看出：顯微組織中含有大量的退火孿晶，形貌為平直的線段，退火孿晶是低層錯能面心立方材料中很常見的一種顯微組織。退火孿晶與母體晶粒之間保持<111>60°的取向關系，即Σ3的CSL關系。

從圖1（c，d）中可以看出：GBE試樣的Σ3，Σ9及Σ27等低ΣCSL晶界相互連接構成大量的Σ3-Σ3-Σ9和Σ3-Σ9-Σ27等Σ3n類型的三叉晶界（n=1，2，3）；而NonGBE試樣中的Σ3晶界幾乎都以孤立的直線或直線對形態(tài)存在于顯微組織中。

利用HKL-Channel5軟件對試樣的晶界特征分布進行統(tǒng)計（圖略）。結(jié)果表明：GBE試樣的低ΣCSL晶界比例為76.1%，其中絕大部分都是Σ3孿晶界，比例為65.2%；而NonGBE試樣的低ΣCSL晶界比例約為48.8%，顯著低于GBE試樣的。通過HKL-Channel5軟件的等效圓直徑測得GBE和NonGBE試樣的晶粒尺寸分別為16.5 μm和16.7μm，統(tǒng)計晶粒尺寸時將孿晶計算在內(nèi)。敏化處理后的GBE-Sen和NonGBE-Sen試樣的晶界特征和晶粒尺寸分布較GBE和NonGBE試樣的幾乎沒有區(qū)別。

圖2 各試樣經(jīng)不同時間晶間腐蝕后的SEM形貌

從圖2中可以看到：經(jīng)過96h腐蝕后，GBE、NonGBE、GBE-Sen和NonGBE-Sen試樣表面都沒有明顯的腐蝕跡象；而經(jīng)過288h腐蝕后，NonGBE-Sen試樣表面出現(xiàn)晶粒掉落，未經(jīng)敏化處理的GBE、NonGBE試樣表面晶粒變化不大，只是NonGBE試樣表面的晶界腐蝕相對較深；當腐蝕時間延長至384h時，NonGBE-Sen試樣表面晶粒脫落明顯，而GBE-Sen試樣表面還是十分完整，表現(xiàn)出較好的耐晶間腐蝕性能；當腐蝕時間延長至480h及720h時，NonGBE-Sen試樣表面層晶粒繼續(xù)不斷脫落，且已經(jīng)發(fā)展到材料內(nèi)部，而GBE-Sen試樣表面只有很少的晶粒脫落，但晶界的腐蝕痕跡加深，說明經(jīng)過GBE處理的Incoloy825合金敏化試樣具有更好的耐晶間腐蝕性能。

從圖3中可以看到：在腐蝕過程中，GBE、Non-GBE、GBE-Sen和NonGBE-Sen試樣單位面積的腐蝕質(zhì)量損失從大到小依次為NonGBE-Sen>GBE-Sen>NonGBE>GBE、對于敏化處理的試樣，經(jīng)GBE處理的敏化試樣GBE-Sen的腐蝕質(zhì)量損失明顯低于未經(jīng)過GBE處理的敏化試樣NonGBE-Sen的；對于未敏化處理的試樣，經(jīng)GBE處理的GBE試樣的腐蝕質(zhì)量損失和未經(jīng)過GBE處理的NonGBE試樣的區(qū)別不是很明顯，但由于Incoloy825合金的含碳量很低，前者略低于后者。

圖3 各試樣的腐蝕失重曲線

以上試驗結(jié)果表明，經(jīng)過GBE 處理后Incoloy825合金的抗晶間腐蝕能力明顯增強。經(jīng)過敏化處理后，不同類型晶界的貧鉻區(qū)深度和寬度不同，因此不同類型晶界的抗晶間腐蝕性能有很大的區(qū)別。低ΣCSL晶界，特別是Σ3晶界結(jié)構十分有序。界面能低，敏化處理后晶界上不易析出碳化物，晶界附近貧鉻現(xiàn)象不如隨機晶界處嚴重，所以不容易遭受腐蝕。

圖4 晶間腐蝕192h后GBE-Sen試樣中不同類型晶界的腐蝕情況

圖4為晶間腐蝕192h后GBE-Sen試樣中不同類型晶界的腐蝕情況。結(jié)果表明，在相同的腐蝕環(huán)境中，低ΣCSL晶界的腐蝕程度較隨機晶界的腐蝕程度淺。比如，Σ3晶界的腐蝕痕跡遠小于其他類型晶界的，Σ9晶界雖有一定程度的腐蝕但腐蝕痕跡也比隨機晶界的輕。GBE試樣中低ΣCSL晶界比例高，如果晶間腐蝕沿著一般大角度晶界擴展，腐蝕擴展路徑不可避免地會遇到Σ3-Σ3-Σ9和Σ3-Σ9-Σ27等類型的三叉晶界，如果Σ9晶界被腐蝕，另外兩條相連的Σ3晶界就能有效抵擋腐蝕的進一步擴展。對比分析圖1（c）和（d）中的不同類型晶界分布可知，GBE試樣和NonGBE-Sen試樣中Σ3n晶界相互連接形成的三叉晶界在數(shù)量上有明顯差別。因此，可以認為，GBE處理后形成的大量相互連接的Σ3-Σ3-Σ9和Σ3-Σ9-Σ27等Σ3n類型三叉晶界是提高Incoloy825合金耐晶間腐蝕性能的主要原因。

結(jié)論

（1）通過生產(chǎn)用冷拔機對鎳基Incoloy825合金管材進行小變形量冷加工再進行退火，可以將其中的低ΣCSL晶界比例提高到75%以上。

（2）晶界工程處理能夠顯著提高Incoloy825合金的耐晶間腐蝕性能。

（3）GBE處理后Incoloy825合金中形成的大量相互連接的Σ3-Σ3-Σ9和Σ3-Σ9-Σ27等Σ3n類型三叉晶界是其耐晶間腐蝕性能提高的主要原因。