固溶處理中冷卻方式對Inconel 625 組織與性能的影響

李 亮

(航天晨光股份有限公司， 江蘇 南京 211100)

0 前 言

Inconel 625 是一種固溶強化型鎳基超耐熱合金，具有廣泛抗氧化和耐腐蝕的優(yōu)良特性。 625 合金的強度源于鎳鉻合金中所含的鉬、鈮等微量元素的固溶強化作用[1-3]。 合金中鉻、鉬元素使其具有抗氯化物點蝕的特點，高鎳含量增強了合金對氯化物應力腐蝕裂化的抵抗能力，因此該合金具有卓越的耐腐蝕特性[4，5]。近年來其作為波紋管材料主要用于高溫、高腐蝕性介質的重要管道中[6，7]。

高溫合金的性能主要取決于它的化學組成和組織結構。 當合金成分一定時，影響合金微觀組織的因素有熔煉工藝、鑄造工藝、熱加工方法和熱處理工藝等。其中熱處理工藝對合金組織的演變規(guī)律最為敏感，熱處理工藝的變化可影響合金晶粒度、強化相的沉淀或溶解、析出相的數(shù)量和尺寸、甚至晶界狀態(tài)等[8，9]。 王子君等[10]對690 合金進行了固溶處理，研究發(fā)現(xiàn)冷軋態(tài)的690 鎳基合金經(jīng)過1 050～1 150 ℃固溶處理后，所有試樣的組織都為充分再結晶的等軸晶，在1 050～1 100 ℃固溶處理時，晶粒均勻長大，從12 μm 提高到29 μm。 超過1 100 ℃時，晶粒尺寸發(fā)生異常長大。Tawancyl 等[11]研究了時效過程中NiNb 析出相對Inconel 625 合金在氧化性環(huán)境中腐蝕性能的影響。 結果表明，在650 ℃時效后，它的腐蝕速度呈一直上升的過程，在760，870 ℃時效后，它的腐蝕速率有一個先上升后下降的過程，其原因是在760 和870 ℃時NiNb 逐漸增多，由片狀變成塊狀，這是由于第二相數(shù)量、結構、成分的變化導致了腐蝕速率的變化。

波紋管作為彈性元件容易因腐蝕而破裂(應力集中導致波峰、波谷應力腐蝕開裂)，一旦失效會造成嚴重的經(jīng)濟損失。 雖然已經(jīng)有學者對波紋管失效原因及延長壽命措施做了大量研究，但針對熱處理改善波紋管性能的研究尚不理想。 本工作以現(xiàn)常用的波紋管材料Inconel 625 合金作為研究對象，通過調整固溶處理中的冷卻方式使其具有良好的綜合性能，對比分析5種固溶工藝處理后合金的組織和性能變化，為鎳基高溫合金設計的熱處理工藝提供理論依據(jù)。

1 實 驗

1.1 實驗材料及工藝

本研究選用的試驗材料為板厚2.0 mm 的Inconel 625 冷軋板，合金成分見表1。 實驗采用5 種不同熱處理工藝如下:(1)1 090 ℃，保溫12 min+爐冷；(2)1 090℃，保溫12 min+水冷；(3)1 090 ℃，保溫12 min+空冷；(4)真空1 090 ℃，保溫12 min+風冷；(5)特殊工藝(真空保溫，水冷)。

表1 實驗材料的化學成分(質量分數(shù)) %Table 1 Composition analysis of experimental steels (mass fraction) %

1.2 力學性能測試

拉伸試驗:試樣尺寸為d＝5 mm，L＝25 mm，室溫條件下在INSTRON5500 拉伸試驗機上進行試驗，拉伸速率為0.5 mm/min。 顯微硬度測試:試樣尺寸為20 mm×10 mm×5 mm。 采用LGTHVS-3A 維氏顯微硬度計，測試載荷為2 N，加載時間為20 s。 每個試樣測試5個硬度點，取其平均值。

1.3 腐蝕性能測試

全浸泡試驗參考GB/T 10124-88。 將不同處理的合金試塊打磨好后放入3.5%的NaCl 溶液的燒杯中浸泡并封住杯口。 分別在96，120，160 h 取出試塊清洗，去除表面殘留后烘干，再用精度為10-4g 的FA2204B分析天平測量材料質量損失，得到不同浸泡時間的試樣質量，并計算質量變化率即腐蝕失重率:

式中:m0為試驗前試樣質量，g；m1為試驗后試樣質量，g。

電化學測試:在PARSTAT 2273 電化學工作站進行電化學測試，試驗采用標準三電極體系:其中合金試樣為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極，輔助電極為石墨電極，試驗在3.5%NaCl 模擬海水溶液中進行。 首先進行開路電位測試，約0.5 h 左右待電位穩(wěn)定后，開始交流阻抗測定，正弦擾動電位10 mV，測量頻率范圍為10 mHz～100 kHz，再以20 mV/min 的掃描速度測試動電位極化曲線，測得的數(shù)據(jù)使用Cview2 軟件擬合。

1.4 組織觀察與分析

金相樣品經(jīng)過拋光后，用50 ℃王水腐蝕液腐蝕5～15 s 后，采用Olympus 光學顯微鏡觀察材料的顯微組織。 實驗材料腐蝕形貌的觀察使用TESCAN VEGA II LMU 掃描電子顯微鏡，其配有二次電子(SE) 以及背散射(BSE) 探測器，控制操作電壓為20 kV。

2 結果與分析

2.1 熱處理對合金硬度的影響

表2 為不同熱處理工藝時Inconel 625 合金的硬度。 在表2 中，1 090 ℃熱處理后的合金硬度低于原始態(tài)合金的硬度(247.67 HV)。 隨著冷卻速率的加快(水冷＞空冷＞爐冷)，合金硬度逐漸增加。 當在真空熱處理條件下，合金獲得了最大硬度為253.96 HV，與原始態(tài)合金相比，經(jīng)過真空熱處理后試樣的顯微硬度提升了約2.5%。 經(jīng)過特殊工藝處理后，合金的硬度與原始態(tài)硬度接近。

表2 固溶處理試樣的硬度Table 2 The hardness of the solution treated samples

2.2 熱處理工藝對合金拉伸性能的影響

圖1 為不同熱處理工藝下合金的力學性能。 從圖中結果可知，經(jīng)過真空1 090 ℃，保溫12 min+風冷處理之后的合金抗拉強度、屈服強度最大，分別達到863 MPa、452 MPa，伸長率為33.0%；非真空條件下熱處理工藝，隨著冷卻速率的減慢，合金的抗拉強度、屈服強度逐漸減小，尤其在爐冷的條件下，抗拉強度、屈服強度分別下降至812 MPa、405 MPa，其中屈服強度與真空條件相比降低了約10.4%，但是伸長率相對較高，達到了35.5%。 經(jīng)過特殊工藝處理，合金的抗拉強度、屈服強度和伸長率分別達到832 MPa、430 MPa、37.5%。 綜合來看，真空處理工藝可以提高材料的強度，特殊工藝能同時提高材料的強韌性。

圖1 熱處理對合金拉伸性能的影響Fig. 1 The effect of heat treatment on alloy tensile properties

2.3 熱處理對合金腐蝕性能的影響

圖2 為不同熱處理合金在3.5%NaCl 溶液中經(jīng)過全浸泡實驗后的失重結果。 實驗結果表明，所有試樣在初始階段都發(fā)生了失重，其中原始狀態(tài)和真空態(tài)合金的失重率最大，特殊處理合金的失重率最小。 浸泡100 h 后，經(jīng)過不同熱處理后的合金失重率都開始增加，其原因是隨著浸泡時間的延長，腐蝕已經(jīng)延伸到試樣內(nèi)部，內(nèi)部的腐蝕產(chǎn)物不能完全由超聲波振動去除，故增加了試樣的重量。

圖2 不同熱處理合金的全浸泡腐蝕失重率Fig. 2 Full-immersion corrosion weight loss curves for different heat-treated alloys

圖3 為經(jīng)過不同處理的合金在3.5%NaCl 溶液中浸泡160 h 后腐蝕表面的SEM 形貌。 原始狀態(tài)合金表面可以觀察到大量的腐蝕裂紋，表層相對酥松。 如圖3b 所示，爐冷態(tài)合金的表面狀態(tài)與原始態(tài)相似。 如圖3d 所示，空冷態(tài)合金的表面出現(xiàn)了大塊的腐蝕產(chǎn)物。水冷態(tài)合金表面局部有腐蝕產(chǎn)物。 合金經(jīng)過真空熱處理，腐蝕表面酥松，局部出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。 特殊工藝試樣表面光滑，未見明顯腐蝕。

圖3 浸泡在3.5%NaCl 中160 h 后合金表面的腐蝕形貌Fig. 3 The corroded surface morphologies of alloys that were soaked in 3.5%NaCl for 160 h

Inconel 625 合金經(jīng)過不同熱處理后在3.5%NaCl溶液中的動電位極化曲線如圖4 所示。 為了研究不同熱處理條件下合金的腐蝕行為，對極化曲線進行擬合，結果如表3 所示。 從熱力學角度出發(fā)，自腐蝕電位(Ecorr)越低，材料的腐蝕傾向性越大。 從擬合數(shù)據(jù)可知，經(jīng)過1 090 ℃熱處理后，合金的自腐蝕電位均高于原始狀態(tài)合金，并且腐蝕電流密度(Jcorr)比原始狀態(tài)試樣降低了1 個數(shù)量級，說明1 090 ℃熱處理有利于提高合金的抗腐蝕性能。 隨著熱處理冷卻速度的降低，合金的自腐蝕電位向負方向移動。 經(jīng)過水冷時合金的腐蝕電流密度為3.8×10-7A/cm2，此時Ecorr為0.17 V。 真空熱處理后，合金的抗腐蝕性能降低。 經(jīng)過特殊工藝處理，合金的腐蝕電流密度為4.2×10-7A/cm2，自腐蝕電位達到0.31 V。 結果表明，隨著冷卻速率的增加，可以提高合金的自腐蝕電位，降低合金的腐蝕電流密度，有效提高合金的耐蝕性。

圖4 不同熱處理后合金的極化曲線Fig. 4 Polarization curves of alloys after heat treatment processes

表3 不同處理合金的電化學參數(shù)Table 3 Electrochemical parameters of alloys with different treatment

如圖5 是在3.5%NaCl 溶液中不同熱處理合金的阻抗譜。 由Nyquist 譜可以明顯地看出原始態(tài)合金和真空熱處理合金所測得的阻抗譜曲率半徑明顯小于經(jīng)過1 090 ℃熱處理合金，表明合金在經(jīng)過1 090 ℃熱處理后腐蝕阻力增大、腐蝕速率減小。 特殊工藝合金測得的阻抗曲率半徑最大，表明在5 種熱處理工藝中特殊工藝可以有效提高Inconel 625 合金的抗腐蝕性能。

圖5 不同熱處理合金的電化學阻抗譜Fig. 5 Electrochemical impedance spectroscopy of different heat-treated alloys

2.4 不同熱處理對合金微觀組織的影響

圖6 為經(jīng)過不同熱處理后合金的金相組織形貌。從圖6 中可以看出原始態(tài)Inconel 625 合金中奧氏體晶粒內(nèi)存在孿晶組織。 經(jīng)過不同冷卻方式處理后發(fā)現(xiàn)合金組織均為奧氏體組織，較原始態(tài)合金相比奧氏體晶粒內(nèi)的孿晶全部消失并析出第二相。 水冷后合金析出相較細??；空冷后合金的晶界析出相增多；爐冷后合金析出相尺寸增大。 經(jīng)過真空熱處理后合金內(nèi)奧氏體晶粒細小，分布均勻。 特殊處理后合金內(nèi)奧氏體晶粒分布均勻，無孿晶組織，晶粒細小，晶界析出明顯。

圖6 不同熱處理下合金的顯微組織Fig. 6 Microstructure of alloy at different heat treatment

2.5 分 析

原始狀態(tài)中存在一些孿晶和大量塊狀第二相，導致其耐蝕性能較低。 經(jīng)過1 090 ℃熱處理后合金發(fā)生完全再結晶，另外合金中的一些碳化物發(fā)生回溶，導致了熱處理后合金的硬度下降，抗腐蝕性能提高。 在腐蝕反應過程中， Inconel 625 合金的基體作為反應陽極，合金的第二相等作為陰極。 熱處理后合金電化學腐蝕性能提高，主要是因為原始狀態(tài)中存在大量碳化鉻，熱處理溫度在1 000 ℃以上，晶界的鏈狀碳化物逐漸斷開，晶界的一些碳化鉻逐漸溶入基體，合金內(nèi)形成的微電池數(shù)量減少，所以抗腐蝕性能提高了。 此外鈮的碳化物析出需要更高的溫度且其可以顯著地降低625 合金的腐蝕傾向。 葉文等[12]研究合金中碳化鈮的析出情況發(fā)現(xiàn)，950 ℃以上鈮的碳化物析出達到最高值。 因此熱處理后合金中有碳化鈮析出，進一步降低了碳化鉻的析出，可以避免出現(xiàn)貧鉻區(qū)。

熱處理后Inconel 625 合金的電化學腐蝕性能提高，且隨著熱處理冷卻速度的提高合金的耐蝕性能提高。 根據(jù)鮮林云等[13]的研究，發(fā)現(xiàn)在600～650 ℃時，碳化鉻析出最為嚴重且空冷的碳化物析出量較水冷的多。 水冷時，溫度降低較快，合金內(nèi)析出相主要為碳化鈮。 當冷卻方式為爐冷時，溫度降低緩慢，合金內(nèi)重新析出碳化鉻，降低了合金的耐蝕性能。

3 結 論

(1)原始狀態(tài)Inconel 625 合金組織主要為奧氏體組織，合金硬度較高，但耐蝕性能較差；真空熱處理提高了合金的硬度和強度，但降低了耐腐蝕性。

(2)1 090 ℃熱處理時，冷卻速度對合金的組織性能有很大的影響。 經(jīng)過水冷，晶界處保留了熱處理過程中析出的碳化鈮，提高了合金的耐腐蝕性能；經(jīng)過空冷或爐冷，合金內(nèi)重新析出碳化鉻，導致合金耐腐蝕性能下降。

(3)經(jīng)過不同熱處理工藝后，Inconel 625 合金的耐腐蝕性能表現(xiàn)為:特殊工藝＞水冷＞空冷＞爐冷＞真空。

(4)特殊工藝處理可以在不降低合金強度的前提下，提高合金的塑性及抗腐蝕性能。