基于電化學(xué)方法的Inconel718合金顯微組織對(duì)應(yīng)力腐蝕敏感性研究

羅坤杰 張度寶 王 力 方可偉 牛紹蕊 劉洪群

（1. 蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215000；2. 國家核電廠安全及可靠性工程技術(shù)研究中心，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

Inconel718合金含有50%以上的鎳元素，20%左右的Cr 元素以及3% 左右的鉬元素，是重要的耐腐蝕材料之一，具有較好的力學(xué)及加工性能[1,2]，廣泛應(yīng)用于航空、航天和核電工業(yè)。在核電工業(yè)中718合金主要應(yīng)用于反應(yīng)堆燃料定位格架用的是厚度為0.3mm左右的帶材，反應(yīng)堆壓力容器的“O”型密封環(huán)用的是冷拔無縫管材，抗輻照壓緊彈簧又多為冷拉絲材或異型材等[3,4]?，F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，Inconel718合金可抵抗輕水堆中應(yīng)力腐蝕裂紋的萌生，但材料中相對(duì)小的缺陷將會(huì)導(dǎo)致裂紋的快速擴(kuò)展。葛鋒[5]等研究發(fā)現(xiàn)Laves相的存在與IGSCC萌生及擴(kuò)展的敏感性之間關(guān)系密切。宋宜四等[6]研究發(fā)現(xiàn)Inconel718合金時(shí)效處理后的第二相析出，導(dǎo)致合金中不同的相之間的電位不同，容易形成微觀腐蝕電池，使得合金的耐蝕性下降。

本文以核電站用Inconel718合金帶材為研究對(duì)象，借助電化學(xué)快、慢掃描極化曲線研究Inconel718合金應(yīng)力腐蝕性能。并通過電化學(xué)刻蝕方法實(shí)現(xiàn)快速評(píng)估718材料內(nèi)δ相的分布與形態(tài)，評(píng)價(jià)析出相對(duì)樣品應(yīng)力腐蝕裂紋萌生的影響及作用機(jī)制，以期對(duì)Inconel718合金在不同環(huán)境下的工程應(yīng)用、服役壽命評(píng)估提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為國產(chǎn)核級(jí)718合金帶材（厚0.266mm），表1為化學(xué)成分。

表1 國產(chǎn)核級(jí)718合金化學(xué)成分（wt.%）

試樣1#制備工藝為冷軋+1080℃/1h+時(shí)效，試樣2#制備工藝為冷軋+970℃/1h+時(shí)效，圖1為兩種試樣的金相組織。試樣1#為孿晶奧氏體，試樣2#為奧氏體+晶界析出相。

圖1 試驗(yàn)材料金相組織

1.2 試驗(yàn)方法

電化學(xué)刻蝕：刻蝕溶液為10wt.%草酸溶液；清洗溶液為10 vol.% 硝酸溶液、去離子水、酒精；恒電位大小為+1200 mV，刻蝕時(shí)間1min?？涛g后采用掃描電鏡對(duì)微觀組織進(jìn)行觀察。

動(dòng)電位陽極極化試驗(yàn)：試驗(yàn)設(shè)備為Gamry34008電化學(xué)工作站，采用經(jīng)典三電極體系，輔助電極為Pt電極，參比電極為標(biāo)準(zhǔn)飽和甘汞電極，718合金帶材試樣為工作電極。試驗(yàn)溶液為NaOH溶液。測(cè)試前首先將工作電極在-1.0V下極化180s，以去除試樣表面的氧化膜，將工作電極在溶液中靜止浸泡1h后分別采用兩種動(dòng)電位掃描速率測(cè)定陽極極化曲線：快掃速率為600mV/min，慢掃速率為20mV/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 電化學(xué)刻蝕

對(duì)不同熱處理制度的1#和2#兩種718合金帶材進(jìn)行電化學(xué)刻蝕，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。1#材料晶粒尺寸略大于2#材料。1#材料晶界干凈，未見第二相的析出。2#材料晶界或?qū)\晶界有顆粒狀δ相析出，EDS分析結(jié)果如表2所示。采用此方法電化學(xué)刻蝕718合金，晶界和析出相清晰，可有效分析δ相分布情況。

表2 EDS分析結(jié)果

圖2 電化學(xué)刻蝕后樣品微觀形貌

2.2 動(dòng)電位陽極極化分析

陽極極化試驗(yàn)采用Inconel718塊狀試片（表面積約3cm2），分別采用兩種動(dòng)電位掃描速率測(cè)定陽極極化曲線：快掃速率為600mV/min，慢掃速率為20mV/min，從自腐蝕電位開始進(jìn)行動(dòng)電位掃描極化實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。從上述兩幅陽極極化曲線可知，快掃條件下，兩種材料的自腐蝕電位和腐蝕電流非常接近，2#試樣的腐蝕電流略大于1#試樣，說明其腐蝕溶解速率略大于1#。慢掃條件下，低電位區(qū)間2#試樣的最大腐蝕電流遠(yuǎn)大于1#試樣，高電位區(qū)間，2#試樣的腐蝕電流略大于1#試樣。說明掃描速率為20mV/min，且處電位較低時(shí)2#材料的腐蝕溶解速率遠(yuǎn)大于1#材料。

圖3 不同熱處理狀態(tài)Inconel718試樣的快掃和慢掃陽極極化曲線

Parkins等[7]曾采用動(dòng)電位快、慢掃描陽極極化的方法確定材料的IGSCC敏感電位區(qū)：快速掃描（一般達(dá)1V/min）限制了測(cè)量過程中膜的生長，再鈍化來不及發(fā)生，使金屬保持較活性的狀態(tài)，故快掃電流密度if可代表裂紋尖端的溶解速度；慢掃（一般低至1mV/min左右）則使得腐蝕產(chǎn)物有足夠的時(shí)間生長，使之能發(fā)生再鈍化，故慢掃電流密度is可代表裂紋兩壁的狀況，如圖4所示。根據(jù)快掃和慢掃陽極極化曲線可知，快掃極化曲線上鈍化區(qū)間不明顯，說明測(cè)量過程中膜的生長，再鈍化不能及時(shí)發(fā)生，使金屬保持較活性的狀態(tài)，較好的模擬了應(yīng)力裂紋尖端的溶解速度，同時(shí)，慢掃極化曲線上具有明顯的鈍化區(qū)，說明測(cè)量過程中鈍化膜發(fā)生破裂后能夠及時(shí)發(fā)生再鈍化，模擬了應(yīng)力裂紋擴(kuò)展后，裂紋尖端兩側(cè)鈍化膜的再鈍化過程。

圖4 應(yīng)力腐蝕破裂模型示意圖

為滿足IGSCC基本條件，裂尖溶解速率必須大大超過裂紋兩壁的溶解速率，即if>>is。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，定義RSR=if/is作為預(yù)測(cè)發(fā)生IGSCC的敏感指數(shù)，由RSR-電位圖的RSR峰值可表示發(fā)生IGSCC的可能性。Fang Z和Staehle等[8]根據(jù)快、慢掃描極化曲線測(cè)試結(jié)果提出了應(yīng)力腐蝕敏感指數(shù)PSCC。PSCC-E圖中的PIGSCC高度與IGSCC敏感性有關(guān)，PSCC值越大，IGSCC敏感性越大。根據(jù)圖3的718合金快掃（600mV/min）與慢掃（20mV/min）所得的極化曲線可以計(jì)算出相應(yīng)的RSR、PIGSCC值（RSR==if/is，PSCC=RSR2*is=RSR*if），兩者隨電位的變化如圖5所示。雖然RSR、PSCC的物理意義不同，但兩者隨電位變化的規(guī)律基本相同，2#試樣的RSR、PSCC在低電位區(qū)間內(nèi)均大于1#試樣，即2#試樣具有更大的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性；同時(shí)，根據(jù)PIGSCC曲線可知，當(dāng)電壓高于4.5V時(shí)兩種試樣的PSCC值均出現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，表明裂紋擴(kuò)展過程中，隨著電壓的增大，裂紋兩端金屬鈍化膜發(fā)生破裂，腐蝕溶解增大。

圖5 應(yīng)力腐蝕敏感指數(shù)PSCC（a）和IGSCC的敏感指數(shù)（b）

2.3 分析與討論

2#材料微觀組織具有更多的第二相粒子析出，基體相為陽極，微小的第二相粒子為陰極，合金中不同相之間的電位不同，容易形成微觀腐蝕電池，腐蝕微電池的數(shù)量增加，使合金合金的耐腐蝕性能下降，這一結(jié)果與陽極極化曲線所分析的2#具有更高的溶解速率相對(duì)應(yīng)。

時(shí)效過程中形成的δ相與IGSCC萌生及擴(kuò)展的敏感性之間具有密切關(guān)系[9]，是引起Inconel718合金IGSCC的重要因素之一。結(jié)合電化學(xué)刻蝕結(jié)果表明，晶間δ析出相的存在是導(dǎo)致陽極極化過程中2#試樣的RSR、PSCC在低電位區(qū)間內(nèi)大于1#試樣的重要因素，提高了Inconel718合金的IGSCC敏感性。

3 結(jié)語

（1）電化學(xué)刻蝕及快慢掃陽極極化曲線能夠?qū)崿F(xiàn)快速評(píng)估718合金內(nèi)δ相的分布、形態(tài)及Inconel718合金IGSCC敏感性，進(jìn)而判斷不同熱處理制度材料的IGSCC敏感性差異；

（2）晶間δ相的存在與Inconel718合金IGSCC敏感性具有密切關(guān)系。