晶粒度對Inconel 690合金微動磨損行為的影響

李 蕭，辛 龍

(北京科技大學(xué) 國家材料服役安全科學(xué)中心，北京 100083)

蒸汽發(fā)生器傳熱管是核電設(shè)備十分重要的組成部分。我國目前大亞灣、嶺澳和秦山二期使用的均為第三代Inconel 690合金傳熱管。Inconel 690合金是一種高鉻奧氏體型鎳基合金，屬于低層錯能的面心立方結(jié)構(gòu)，在復(fù)雜的環(huán)境下具有優(yōu)異的抗蝕性[1-2]。

微動是指兩個接觸表面發(fā)生極小振幅(一般為微米級)的相對運動，常發(fā)生在近似緊密配合構(gòu)件的接觸表面上[3-4]，可導(dǎo)致材料磨損而引起構(gòu)件松動、功率損失、噪聲增加或形成污染源，并進(jìn)一步導(dǎo)致疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展，大大降低使用壽命[5]。在核電站中，由于動力運輸及能量轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生振動，微動磨損現(xiàn)象普遍存在，是導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器傳熱管失效的重要原因。因此，應(yīng)當(dāng)防止蒸汽發(fā)生器的破損，以提高核電設(shè)備安全性和使用壽命[6-7]。Kai等[8]對Inconel 600和Inconel 690合金的抗應(yīng)力腐蝕性能做了研究，結(jié)果表明，Inconel 690合金晶界附近具有更小的貧鉻區(qū)深度，因而具有更好的抗應(yīng)力腐蝕性能；Stiller等[9]研究了365 ℃高純水中Inconel 600和Inconel 690合金的組織結(jié)構(gòu)對晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕性能的影響，結(jié)果表明，晶界貧鉻區(qū)和碳化物的形成是影響其腐蝕性能最主要因素；Casales等[10]研究了熱處理對Inconel 690合金應(yīng)力腐蝕的影響，結(jié)果表明，時效處理不改變晶粒大小，但對碳化物的析出有明顯影響，進(jìn)而影響材料的抗應(yīng)力腐蝕性能；Delabrouille等[11]研究了鉻含量對鎳基合金腐蝕性能的影響，得到了與Kai類似的試驗結(jié)果；陳波等[12]研究了N對Inconel 690合金抗晶間腐蝕性能的影響，結(jié)果表明，N的加入可以減小晶界Cr貧化程度、貧化區(qū)寬度變窄，提高合金的抗晶間腐蝕能力；Hwang等[13]研究了Inconel 690合金的鉛致應(yīng)力腐蝕開裂。Zhang等[14]研究了材料表面粗糙度和表面殘余應(yīng)力對Inconel 690合金抗應(yīng)力腐蝕能力的影響。綜上所述，國內(nèi)外針對Inconel 690合金組織結(jié)構(gòu)對材料抗晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕性能做了大量研究，但針對微動損傷的影響研究較少。因此本文研究了晶粒度對Inconel 690合金微動磨損特性的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本研究選用厚度為1.09 mm的Inconel 690 TT合金管為試驗材料；對磨材料為φ10 mm的304不銹鋼球(SS304)，表面粗糙度Ra≈0.04 μm，硬度約260 HV，二者化學(xué)成分如表1所示。首先用電火花線切割機(jī)沿管材軸向?qū)⑵淝虚_，再將帶有弧度的管材壓平，在715 ℃去應(yīng)力退火1 h后，將其切割為15 mm×15 mm塊體，試樣表面經(jīng)研磨拋光至Ra≈0.04 μm，除油清潔后，將其放入自制的卡具中。

表1 試驗材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 熱處理

為了獲得不同的晶粒尺寸，將試樣在不同溫度(1100、1200、1300 ℃)下進(jìn)行固溶處理，時間為5 min，水淬。再將固溶處理后的試樣進(jìn)行715 ℃×2 h時效處理后水淬。所有熱處理都在真空石英管中進(jìn)行。

1.3 組織觀察和硬度測試

采用10%草酸溶液電解腐蝕試樣，電壓為5 V，時間25 s。用光學(xué)顯微鏡(OM)觀察分析合金的顯微組織，按照GB/T 6394—2002《金屬平均晶粒度測定方法》直線截點法統(tǒng)計平均晶粒尺寸。采用維式硬度計對試樣進(jìn)行顯微硬度測試，載荷砝碼25 g，時間10 s。

1.4 微動磨損試驗

微動磨損試驗在SRV-Ⅳ摩擦磨損試驗機(jī)上進(jìn)行。該試驗機(jī)的FSA模式在一個周期內(nèi)能夠記錄1024個點，通過數(shù)據(jù)處理后得到切向力-位移(Ft-D)曲線。微動磨損試驗在常溫?zé)o潤滑條件下進(jìn)行，摩擦副接觸方式采用點接觸，微動方式為切向微動。微動機(jī)械條件為載荷100 N，振幅100 μm，頻率20 Hz，時間30 min。試驗前將試樣浸泡于酒精中，用超聲波清洗10 min。

1.5 磨痕形貌分析

微動磨損試驗結(jié)束后，將試樣浸泡于酒精中，超聲波清洗10 min，自然干燥24 h，用光學(xué)顯微鏡(OM)分析材料組織形貌；用激光共焦掃描顯微鏡(LSCM)觀察磨痕截面輪廓并獲取磨損體積；用掃描電鏡(SEM)觀察磨損表面及截面形貌，并使用能譜儀(EDS)分析磨痕表面元素組成。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 組織觀察和硬度

圖1為Inconel 690合金不同溫度固溶處理試樣的顯微組織照片。從圖1可見，試樣經(jīng)1100～1300 ℃固溶后晶粒尺寸增大；且隨著固溶溫度的升高，晶粒尺寸不斷增大。

圖2為不同試樣平均晶粒尺寸和顯微硬度的變化趨勢。從圖2可以看出，原始試樣晶粒尺寸約為22 μm，隨著固溶溫度升高至1300 ℃，試樣的晶粒尺寸逐漸增加至160 μm。由于本研究材料取自管材，且經(jīng)過了壓平處理，相當(dāng)于進(jìn)行了塑性變形，加之隨后的固溶處理，據(jù)此推斷材料應(yīng)經(jīng)過了回復(fù)再結(jié)晶過程；而且由于固溶溫度遠(yuǎn)高于材料的再結(jié)晶溫度，再結(jié)晶后的晶粒長大是晶界遷移的過程。因此，可以認(rèn)為這是由于Inconel 690合金在固溶作用下，通過回復(fù)和部分再結(jié)晶或再結(jié)晶造成晶界遷移，從而引起晶粒間相互吞并，晶粒長大[15]。原始試樣的硬度約為257 HV0.025，當(dāng)固溶溫度增加至1300 ℃，試樣硬度降低至160.1 HV0.025。這是由于Inconel 690合金隨固溶溫度升高，晶體中位錯運動速度加快，發(fā)生位錯消失或合并，合金塑性變形能力提高，硬度降低[16]。

圖2 Inconel 690合金晶粒度和硬度隨固溶溫度的變化Fig.2 Grain size and hardness values of the Inconel 690 alloy vs solution temperature

2.2 微動磨損行為

圖3為原始試樣與1300 ℃試樣在微動磨損不同時間的切向力-位移(Ft-D)曲線。從圖3可以看出，所有的Ft-D曲線都呈近似平行四邊形，說明所有微動運行區(qū)域特性為完全滑移，摩擦副在整個微動過程中的相對運動是由接觸面的塑性變形調(diào)節(jié)[17]。

圖3 Inconel 690合金Ft-D圖隨時間的變化曲線(a)原始態(tài)；(b)1300 ℃固溶Fig.3 Ft-D curves of the Inconel 690 alloy vs time(a) as-received; (b) solution treated at 1300 ℃

圖4為Inconel 690合金摩擦因數(shù)隨時間的變化趨勢。從圖4可以看出，所有試樣的摩擦因數(shù)在微動初始階段迅速上升，這是由于微動初期材料發(fā)生直接接觸，接觸表面發(fā)生粘著和塑性變形，摩擦力迅速增加。隨后，摩擦因數(shù)的變化趨于相對穩(wěn)定狀態(tài)，但伴隨著小幅波動。這是由于表面顆粒的不斷剝離發(fā)生改變，繼而磨屑在微動擠壓作用下逐漸發(fā)生碎化和氧化，但磨屑的產(chǎn)生和從接觸表面溢出保持動態(tài)平衡。

圖4 Inconel 690合金摩擦因數(shù)隨微動磨損時間的變化曲線Fig.4 Friction factor of the Inconel 690 alloy vs fretting wear time

圖6 1300 ℃固溶后Inconel 690合金(a～e)及SS304不銹鋼(f～j)表面磨痕SEM形貌(a, f)和元素面分布圖(b～e, g～j) Fig.6 SEM images(a, f) and element mapping images(b-e, g-j) of worn scars on surface of the Inconel 690 alloy solution treated at 1300 ℃(a-e) and SS304 stainless steel(f-j)

圖5為Inconel 690合金摩擦因數(shù)、磨損體積隨晶粒度和硬度的變化曲線?？梢钥闯?，不論是晶粒度還是硬度的變化，所有試樣的平均摩擦因數(shù)都為0.48。當(dāng)晶粒尺寸從22 μm增加至75 μm，硬度從257 HV0.025降至202.6 HV0.025，磨損體積從8.5×106μm3緩慢減少至8.2×106μm3。當(dāng)平均晶粒尺寸從75 μm增加至112 μm，硬度從202.6 HV0.025減少至176.4 HV0.025，磨損體積從8.2×106μm3快速減少至3.9×106μm3；當(dāng)平均晶粒尺寸從112 μm增加至160 μm，硬度從176.4 HV0.025 減少至160.1 HV0.025，磨損體積從3.9×106μm3快速增加至16.2×106μm3。因此，當(dāng)SS304不銹鋼與Inconel 690合金硬度比為260∶176.4時，Inconel 690合金磨損量達(dá)到最少。

圖5 Inconel 690合金平均摩擦因數(shù)和磨損體積隨晶粒度(a)和硬度(b)的變化趨勢Fig.5 Average friction factor and wear volume of the Inconel 690 alloy vs grain size(a) and hardness(b)

圖6為1300 ℃固溶后試樣摩擦副磨痕的SEM形貌及元素面分布圖。由于Inconel 690為鎳-鉻合金，而SS304為鐵基合金，所以從EDS元素面分布圖中可以很明顯觀察到材料的轉(zhuǎn)移(見圖6(b～e)、圖6(g～j))。少量的Inconel 690材料轉(zhuǎn)移到SS304磨痕表面(如圖6(b，g)、圖6(d，i)所示)；大量的SS304材料轉(zhuǎn)移到Inconel 690合金磨痕表面(如圖6(c，h)所示)，導(dǎo)致Inconel 690合金磨痕表面Ni和Cr的缺失。氧都集中在了摩擦副的磨痕表面(如圖6(e，j)所示)。1100、1200 ℃固溶試樣的觀察結(jié)果與1300 ℃的基本一致。

圖7 Inconel 690合金磨痕表面形貌(a,d)原始態(tài); (b,e)1200 ℃固溶; (c,f)1300 ℃固溶Fig.7 Surface micrographs of worn scars of the Inconel 690 alloy(a,d) as-received; (b,e) solution treated at 1200 ℃; (c,f) solution treated at 1300 ℃

圖8 Inconel 690合金磨痕截面SEM形貌(a)原始態(tài); (b)1100 ℃固溶; (c)1200 ℃固溶; (d)1300 ℃固溶Fig.8 SEM images in cross section of worn scars of the Inconel 690 alloy(a) as-received; (b) solution treated at 1100 ℃; (c) solution treated at 1200 ℃; (d) solution treated at 1300 ℃

圖7為不同固溶溫度下Inconel 690合金磨痕表面的整體和放大SEM形貌。1100 ℃試樣的觀察結(jié)果與1200 ℃的無明顯差異，本文主要對原始試樣和1200 ℃、1300 ℃試樣進(jìn)行討論。從磨痕整體形貌可以看出，不同固溶溫度試樣磨痕表面都分布大量磨屑顆粒，原始試樣和1200 ℃試樣磨痕表面有大量由SS304不銹鋼轉(zhuǎn)移來的材料，1300 ℃試樣磨痕表面相對較少。磨屑顆粒存在于磨痕表面，且在1300 ℃試樣磨痕表面分布最多(見圖7(c,f))。隨著晶粒尺寸的增加，試樣硬度逐漸減小。就較軟的試樣而言，其微動磨損行為主要取決于磨屑從接觸界面排出的速率，而后者又取決于由界面接觸狀態(tài)所決定的微動磨損表面形貌[18]，而1200 ℃試樣，磨屑聚集程度最大，氧化層緊實，促使磨損體積突然減少。由此可見，從磨痕表面形貌來看不同固溶溫度條件下的Inconel 690合金磨損機(jī)制均為磨粒磨損。

圖8為不同固溶溫度下Inconel 690合金磨痕截面形貌。從圖8(a～c)可以看出，從原始試樣到1200 ℃固溶試樣，最表層存在從SS304不銹鋼轉(zhuǎn)移來的材料，且1200 ℃固溶試樣表面分布的材料最多(見圖8(c))，這可能是由于隨著硬度降低，粘著力增加[19]，磨痕表面會粘著更多磨損材料，造成1200 ℃固溶試樣磨損體積突然減小，但1300 ℃固溶試樣磨屑的排出速率較快，使得1300 ℃固溶試樣產(chǎn)生大量微動磨損，形成大的凹坑，如圖8(d)所示，使磨損體積增加。由此可見，從磨痕截面形貌來看，不同固溶溫度下的Inconel 690試樣磨損機(jī)制為剝層磨損和粘著磨損。

3 結(jié)論

1) 經(jīng)固溶處理后，Inconel 690合金晶粒尺寸增加，且隨固溶溫度的升高，平均晶粒尺寸不斷增加，晶粒度減小，硬度值降低。

2) 微動磨損試驗表明，不同晶粒度和硬度下，Inconel 690合金的平均摩擦因數(shù)均約為0.48。當(dāng)平均晶粒尺寸為112 μm，同時SS304不銹鋼與Inconel 690合金硬度比為260∶176.4時，Inconel 690合金具有最小的磨損體積。

3) 不同晶粒度和硬度下的Inconel 690合金微動磨損機(jī)制主要為剝層磨損、磨粒磨損和粘著磨損。