固溶處理對(duì)Incoloy825合金鋼管組織和性能的影響

張玉成， 賈浩梅

(合肥實(shí)華管件有限責(zé)任公司， 安徽 合肥 230601)

Incoloy825合金是美國(guó)Huntington材料工作室于1952年針對(duì)硫酸行業(yè)開發(fā)的耐蝕合金[1]。其在還原性和氧化性腐蝕介質(zhì)中耐蝕性良好，具有優(yōu)異的抗氯離子應(yīng)力腐蝕開裂能力，抗點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕和多種腐蝕性溶液的能力，廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、海洋開發(fā)等諸多領(lǐng)域[2-3]。Incoloy825合金是一種Ni-Fe-Cr型固溶強(qiáng)化合金，經(jīng)固溶處理后能獲得良好的綜合力學(xué)性能和耐腐蝕性能，故Incoloy825合金一般以固溶狀態(tài)交付使用。國(guó)內(nèi)某石油化工加氫裝置用Incoloy825合金鋼管產(chǎn)品，為降低現(xiàn)場(chǎng)焊接裂紋傾向和提升抗晶間腐蝕能力和力學(xué)性能，要求產(chǎn)品固溶態(tài)交貨，平均晶粒度控制在7級(jí)左右，室溫拉伸試驗(yàn)滿足ASME SB423標(biāo)準(zhǔn)要求，且晶間腐蝕速率<0.3 mm/y。研究表明，鎳基合金晶粒在固溶處理過程可能會(huì)異常長(zhǎng)大，影響材料力學(xué)性能[4]。同時(shí)，Incoloy825合金在熱處理過程中可能會(huì)在晶界上析出碳化物，這些碳化物對(duì)合金抗晶間腐蝕性能產(chǎn)生不利影響[5-6]，目前，關(guān)于Incoloy825合金的研究主要集中在焊接質(zhì)量控制方面，較少有人系統(tǒng)地研究固溶工藝對(duì)Incoloy825合金組織、力學(xué)性能和抗晶間腐蝕能力的影響。本文對(duì)固溶處理制度對(duì)Incoloy825合金管件產(chǎn)品組織和性能的影響規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)分析，確定了最佳固溶工藝，滿足了石油化工加氫裝置用Incoloy825合金管件產(chǎn)品的材料晶粒度、力學(xué)性能和抗晶間腐蝕性能的要求。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試樣材料制備

Incoloy825合金對(duì)應(yīng)美際牌號(hào)為UNS N08825，試驗(yàn)材料取自ASME SB423-2017中UNS N08825尺寸為φ325 mm×10.31 mm冷拔無縫鋼管，選用Spectro test TXC03全元素光譜分析儀測(cè)量化學(xué)成分，其實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表1。

表1 UNS N08825無縫鋼管的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 熱處理試驗(yàn)

采用線切割沿鋼管縱向加工70 mm×200 mm Incoloy825合金試塊，取13塊，留取1塊作原始對(duì)比試樣，不做熱處理，另外12塊用于固溶處理工藝試驗(yàn)，固溶溫度分別為950、1000和1050 ℃，固溶時(shí)間分別為10、20、30和60 min。固溶處理試驗(yàn)于高溫馬弗爐中進(jìn)行，冷卻方式為水冷，水溫控制在20～40 ℃，固溶冷卻轉(zhuǎn)移時(shí)間小于15 s。

1.3 性能測(cè)試及組織觀察

固溶處理后，進(jìn)行顯微組織觀察、晶間腐蝕敏感性和力學(xué)性能檢測(cè)。從固溶處理試塊上線切割出10 mm×10 mm×10 mm金相試樣，經(jīng)砂紙打磨機(jī)械拋光后，采用冷酸浸蝕0.5～1 min，腐蝕液為92%HCl+5%H2SO4+3%HNO3(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，浸蝕后的金相試樣在光學(xué)顯微鏡下按照GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》規(guī)定的三圓截點(diǎn)法進(jìn)行平均晶粒度測(cè)定，分析固溶工藝對(duì)晶粒度的影響。室溫拉伸試驗(yàn)按照GB/T 228.1—2010 《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行，將固溶處理試塊加工成縱向弧形比例試樣，試樣寬度為15 mm，夾持端和平行長(zhǎng)度之間的過渡弧的最小半徑為12 mm，比例系數(shù)k取5.64。晶間腐蝕試驗(yàn)按照GB/T 15260—2016 《金屬和合金的腐蝕 鎳合金晶間腐蝕試驗(yàn)方法》規(guī)定的D法執(zhí)行，沿鋼管軸向加工晶間腐蝕試樣，試樣尺寸30 mm× 20 mm×3 mm，經(jīng)675 ℃×1 h敏化處理后，磨床加工試樣表面，去除氧化皮，表面粗糙度Ra≤0.8 μm，選用體積分?jǐn)?shù)為65%硝酸腐蝕溶液，晶間腐蝕試驗(yàn)溫度為80 ℃。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 固溶處理對(duì)顯微組織的影響

圖1為固溶前Incoloy825合金的顯微組織。圖2為Incoloy825合金經(jīng)不同工藝固溶處理后的顯微組織。圖2(a)為Incoloy825合金經(jīng)950 ℃固溶10 min后的顯微組織，基體組織為細(xì)小等軸晶，平均晶粒度為8.5級(jí)。隨著固溶時(shí)間的延長(zhǎng)，晶粒相互吞噬，晶界在高溫下發(fā)生移動(dòng)，晶粒開始長(zhǎng)大，Incoloy825合金經(jīng)950 ℃ 固溶20、30和60 min的金相照片如圖2(b～d)所示，平均晶粒度分別為8級(jí)、8級(jí)和7級(jí)，晶粒長(zhǎng)大的同時(shí)，出現(xiàn)了部分晶粒顯著長(zhǎng)大的現(xiàn)象，呈現(xiàn)出了粗/細(xì)晶?；旌戏植嫉男螒B(tài)，隨著固溶時(shí)間延長(zhǎng)，晶粒大小趨于一致，混晶狀態(tài)得以改善。Incoloy825合金從高溫到常溫的基體組織均為奧氏體，未固溶處理的原始試樣的平均晶粒度為8.5級(jí)，如圖1所示。

圖1 固溶前Incoloy825合金的顯微組織Fig.1 Microstructure of the Incoloy825 alloy before solution treatment

隨著固溶溫度的升高，原子擴(kuò)散劇烈，晶粒長(zhǎng)大更為迅速，圖2(e)為Incoloy825合金經(jīng)1000 ℃固溶10 min 后的金相照片，平均晶粒度由8.5級(jí)變?yōu)?.5級(jí)，隨著固溶時(shí)間的延長(zhǎng)，晶粒繼續(xù)長(zhǎng)大，但晶粒長(zhǎng)大速度降低，晶粒尺寸趨于均勻，在1000 ℃固溶20、30和60 min的金相照片如圖2(f～h)所示，平均晶粒度分別為4.5級(jí)、4.5級(jí)和3.5級(jí)，同時(shí)伴隨著晶粒長(zhǎng)大形成了新的晶粒結(jié)構(gòu)，局部區(qū)域的晶粒內(nèi)部出現(xiàn)退火孿晶組織。

當(dāng)固溶溫度進(jìn)一步升高，晶粒長(zhǎng)大急劇加劇，如圖2(i)所示，Incoloy825合金經(jīng)1050 ℃固溶10 min后，平均晶粒度由8.5級(jí)變?yōu)?.5級(jí)，隨著固溶時(shí)間的延長(zhǎng)，晶粒長(zhǎng)大速度減緩，在1050 ℃固溶20、30和60 min的金相照片如圖2(j～l)所示，平均晶粒度分別為4級(jí)、4級(jí)和3級(jí)，晶粒內(nèi)部退火孿晶數(shù)量顯著增加。

圖3 固溶處理對(duì)Incoloy825合金平均晶粒度的影響Fig.3 Effect of solution treatment on average grain size of the Incoloy825 alloy

圖3為不同固溶處理制度下Incoloy825合金晶粒度的變化規(guī)律。隨著固溶溫度的升高，Incoloy825合金晶粒逐漸長(zhǎng)大，晶粒度級(jí)數(shù)下降，但是在不同階段的生長(zhǎng)速度有所不同，固溶溫度為950 ℃時(shí)晶粒生長(zhǎng)較為平緩，當(dāng)固溶溫度超過1000 ℃時(shí)，晶粒快速長(zhǎng)大。這是因?yàn)榫ЯｉL(zhǎng)大主要是通過晶界遷移來實(shí)現(xiàn)的，而晶界遷移過程實(shí)際上就是原子擴(kuò)散過程，溫度越高，晶粒長(zhǎng)大速度就越快。在950 ℃固溶時(shí)，溫度較低，晶界遷移擴(kuò)散速度較低，晶粒生長(zhǎng)緩慢。當(dāng)固溶溫度升高至1000 ℃時(shí)，晶?？焖偕L(zhǎng)，晶粒迅速長(zhǎng)大的原因可歸結(jié)于兩個(gè)方面，一方面溫度升高，原子能量升高，擴(kuò)散劇烈；另一方面，一些未溶的析出相基本回溶到基體γ相中，減少了原子擴(kuò)散的阻力，對(duì)晶界的釘扎作用減弱，新晶粒的晶界遷移可以自由進(jìn)行，因而晶粒尺寸快速增加。當(dāng)固溶溫度超過1000 ℃時(shí)，晶粒不僅快速長(zhǎng)大，同時(shí)伴生出大量退火孿晶，由于Incoloy825合金的層錯(cuò)能較低，可能是在較高的固溶溫度下，晶粒通過晶界移動(dòng)而生長(zhǎng)時(shí)，形成退火孿晶。如圖3所示，為滿足石油化工加氫裝置用Incoloy825鋼管平均晶粒度控制在7級(jí)左右的要求，同時(shí)為了避免產(chǎn)生大量混晶組織，推薦Incoloy825合金固溶溫度為950 ℃，固溶時(shí)間為60 min。

2.2 力學(xué)性能

GB/T 20801—2020《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道 第2部分：材料》規(guī)定Incoloy825合金的上限使用溫度為538 ℃，Incoloy825合金一般用在低溫環(huán)境和中溫環(huán)境工況，較少用于高溫工況，故本試驗(yàn)選擇室溫拉伸，Incoloy825合金的室溫拉伸性能如表2所示。未固溶處理的原始試樣抗拉強(qiáng)度為670 MPa，經(jīng)950、1000和1050 ℃固溶60 min后，抗拉強(qiáng)度分別下降至627、557和552 MPa。這是由于未固溶處理的試樣平均晶粒度約為8.5級(jí)，晶粒較細(xì)，晶界數(shù)量較多，拉伸加載變形時(shí)，位錯(cuò)在晶界處受阻，滑移帶終止在晶界附近，同時(shí)由于各晶粒間存在位向差，為了協(xié)調(diào)變形，要求晶粒進(jìn)行多系滑移，而多系滑移會(huì)發(fā)生位錯(cuò)的相互交割，進(jìn)一步提升了材料的抗拉強(qiáng)度。經(jīng)固溶處理后，材料的平均晶粒度下降，晶粒長(zhǎng)大，晶界數(shù)量降低，原來的細(xì)晶強(qiáng)化效果降低，導(dǎo)致材料抗拉強(qiáng)度下降。另一方面，隨著固溶溫度升高，基體內(nèi)合金元素溶解度增大，原子擴(kuò)散劇烈，析出相溶解，對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用減弱，在一定程度上也導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度的下降。

表2 不同工藝固溶后Incoloy825合金的拉伸性能

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，固溶溫度和固溶時(shí)間對(duì)Incoloy825合金的屈服強(qiáng)度影響明顯，未固溶處理的原始試樣屈服強(qiáng)度為462 MPa，經(jīng)950、1000和1050 ℃固溶60 min后，屈服強(qiáng)度分別下降至420、326和314 MPa，這是因?yàn)榍?qiáng)度是與滑移從先塑性變形的晶粒轉(zhuǎn)移到相鄰晶粒密切相關(guān)的，而這種轉(zhuǎn)移能否發(fā)生，主要取決于在已滑移晶粒晶界附近的位錯(cuò)塞積群所產(chǎn)生的應(yīng)力集中程度，能否激發(fā)相鄰晶?；葡抵械奈诲e(cuò)源也開動(dòng)起來，從而進(jìn)行多滑移[7]。已滑移小晶粒晶界附近的位錯(cuò)塞積造成比較小的應(yīng)力集中，激發(fā)相鄰晶粒發(fā)生塑性變形的機(jī)會(huì)比大晶粒要小的多，需要在較大的外加應(yīng)力下才能使相鄰晶粒發(fā)生塑性變形，所以晶粒越細(xì)小，其屈服強(qiáng)度也就越高。未固溶處理的原始試樣晶粒度為8.5級(jí)，晶粒細(xì)小，位錯(cuò)塞積造成的應(yīng)力集中程度小，激發(fā)相鄰晶粒塑性變形的概率低，需要較大的外應(yīng)力才能發(fā)生協(xié)同的塑性變形，顯示出較高的屈服強(qiáng)度。隨著固溶溫度的升高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，平均晶粒度下降，晶粒粗化，細(xì)晶強(qiáng)化作用減弱，導(dǎo)致屈服強(qiáng)度下降。

Incoloy825合金的伸長(zhǎng)率與固溶處理工藝有關(guān)，950 ℃固溶時(shí)，隨著固溶時(shí)間的延長(zhǎng)，伸長(zhǎng)率呈先下降后上升的趨勢(shì)。這是因?yàn)楣倘?0 min后，基體內(nèi)出現(xiàn)粗/細(xì)晶粒混合分布，塑性變形不均勻，容易造成應(yīng)力集中，導(dǎo)致伸長(zhǎng)率降低。隨著固溶時(shí)間的延長(zhǎng)，晶粒大小趨于一致，混晶狀態(tài)得以改善，繼續(xù)延長(zhǎng)固溶時(shí)間，析出物溶解更為充分，伸長(zhǎng)率得以提高。1000 ℃和1050 ℃固溶時(shí)，隨著固溶時(shí)間的延長(zhǎng)，伸長(zhǎng)率呈上升趨勢(shì)。這是由于高溫固溶時(shí)，基體內(nèi)合金元素溶解度增大，原子擴(kuò)散劇烈，析出相大量溶解，同時(shí)基體組織的混晶程度小，不容易造成應(yīng)力集中，在材料斷裂前能夠承受較大的變形量，故顯示出較高的伸長(zhǎng)率。

圖4為固溶處理對(duì)Incoloy825合金拉伸性能的影響，Incoloy825合金能夠在石油化工工程上廣泛應(yīng)用，除了其優(yōu)異的耐腐蝕能力外，其力學(xué)性能也是重要考量因素。結(jié)合拉伸試驗(yàn)可知，隨著固溶溫度的升高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均有不同程度的下降。因此在制定固溶處理工藝時(shí)，在確保充分固溶的前提下，盡量降低固溶溫度和保溫時(shí)間，降低晶粒長(zhǎng)大程度，試驗(yàn)結(jié)果表明，Incoloy825合金在950 ℃固溶60 min后，雖然抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度指標(biāo)有所下降，但下降速率沒有1000 ℃和1050 ℃固溶時(shí)明顯，具有較高的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，同時(shí)伸長(zhǎng)率較原始試樣有所提高，此時(shí)材料的綜合力學(xué)性能較好。

圖4 固溶處理對(duì)Incoloy825合金抗拉強(qiáng)度(a)、屈服強(qiáng)度(b)和伸長(zhǎng)率(c)的影響Fig.4 Effect of solution treatment on tensile strength(a), yield strength(b) and elongation(c) of the Incoloy825 alloy

2.3 抗晶間腐蝕性能

晶間腐蝕試驗(yàn)分5個(gè)周期，每個(gè)周期48 h，采用稱量法計(jì)算腐蝕速率，測(cè)定與碳化鉻沉淀有關(guān)的晶間腐蝕敏感性，分析固溶工藝對(duì)試樣腐蝕速率的影響，晶間腐蝕速率計(jì)算公式如式(1)所示：

(1)

式中：K為常數(shù)，取8.76×104；Δm為質(zhì)量損失，g；A為試樣表面積，cm2；t為腐蝕時(shí)間，h；ρ為密度，取8.14 g/cm3。

不同工藝固溶處理后Incoloy825合金的晶間腐蝕速率如表3和圖5所示。可以看出，隨著固溶溫度的升高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，Incoloy825合金的晶間腐蝕速率呈現(xiàn)先下降后平穩(wěn)的趨勢(shì)，在固溶時(shí)間超過30 min 后，晶間腐蝕速率基本穩(wěn)定。研究表明，Incoloy825合金的晶間腐蝕性能主要受MC相(TiC)和M23C6析出物的影響，TiC為高溫析出相，約從800 ℃開始形成，在900 ℃左右形成速度最快，隨著固溶溫度的升高，TiC又開始溶解，從900 ℃加熱到1200 ℃，TiC數(shù)量不斷減少[8]。M23C6析出物的開始析出溫度和碳含量有關(guān)，當(dāng)碳含量為0.01%時(shí)，M23C6開始析出溫度約為843 ℃，隨著固溶溫度的升高，M23C6析出物會(huì)溶解到基體，數(shù)量減少。本試驗(yàn)選取的固溶溫度都在TiC和M23C6析出物的固溶溫度范圍內(nèi)，隨著固溶時(shí)間的延

表3 不同工藝固溶處理后Incoloy825合金的晶間 腐蝕速率(mm/y)

圖5 固溶處理對(duì)Incoloy825合金晶間腐蝕速率的影響Fig.5 Effect of solution treatment on intergranular corrosion rate of the Incoloy825 alloy

長(zhǎng)，基體內(nèi)析出相減少，晶界貧鉻現(xiàn)象減少，合金耐晶間腐蝕能力增強(qiáng)。在950 ℃固溶60 min后，基體內(nèi)析出相已基本完全溶解，隨著固溶溫度的升高，基體內(nèi)析出物無明顯變化，晶間腐蝕速率也沒有明顯差異，基本穩(wěn)定在0.12 mm/y左右。

綜合分析，固溶處理對(duì)Incoloy825合金組織、力學(xué)性能和耐晶間腐蝕性能的影響：隨著固溶溫度的升高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，Incoloy825合金的晶粒度呈下降趨勢(shì)，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度也逐漸下降，腐蝕速率下降，最后趨于穩(wěn)定，耐晶間腐蝕能力得以提升。由此可見，固溶處理可以有效改善Incoloy825合金的組織和性能，固溶溫度在1000 ℃以上時(shí)，晶粒長(zhǎng)大明顯，伸長(zhǎng)率和耐晶間腐蝕能力隨固溶時(shí)間的延長(zhǎng)而提高，但是其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度下降明顯。固溶溫度在950 ℃時(shí)，晶粒長(zhǎng)大緩慢，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度略有下降，但仍然有較高的數(shù)值，在950 ℃ 固溶30 min后，基體容易出現(xiàn)混晶組織，導(dǎo)致伸長(zhǎng)率下降，且腐蝕速率較高，因此，Incoloy825合金最佳固溶溫度為950 ℃，固溶時(shí)間為60 min。

3 結(jié)論

1) 隨著固溶溫度的升高，Incoloy825合金晶粒長(zhǎng)大，晶粒度級(jí)數(shù)呈下降趨勢(shì)。Incoloy825合金在不同固溶溫度下的晶粒生長(zhǎng)速度有所不同，當(dāng)固溶溫度超過1000 ℃后，晶粒長(zhǎng)大迅速，并伴生退火孿晶。在950 ℃固溶時(shí)，晶粒長(zhǎng)大緩慢，當(dāng)950 ℃固溶時(shí)間小于30 min時(shí)，基體出現(xiàn)混晶組織。在950 ℃固溶60 min后，混晶狀態(tài)得以改善，基體基本為等軸晶，平均晶粒度為7級(jí)，滿足石油化工加氫裝置鋼管的晶粒度要求。

2) 隨著固溶溫度的升高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，Incoloy825合金抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均有不同程度的下降，在950 ℃固溶時(shí)，雖然抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度有所下降，但下降速率沒有1000 ℃和1050 ℃固溶時(shí)明顯，仍然具有較高的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。Incoloy825合金伸長(zhǎng)率隨著固溶溫度的升高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，總體呈上升趨勢(shì)，但是在950 ℃固溶時(shí)，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，伸長(zhǎng)率先下降后上升，在950 ℃固溶60 min后，伸長(zhǎng)率較原始試樣有所提高，此時(shí)材料的綜合力學(xué)性能較好，材料拉伸性能符合ASME SB423標(biāo)準(zhǔn)要求。

3) 隨著固溶溫度的升高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，Incoloy825合金的晶間腐蝕速率呈現(xiàn)先下降后平穩(wěn)的趨勢(shì)。在950 ℃固溶60 min后，腐蝕速率基本穩(wěn)定在0.12 mm/y左右，符合石油化工加氫裝置晶間腐蝕速率小于0.3 mm/ y的要求，后續(xù)隨著固溶溫度的升高，基體內(nèi)析出物無明顯變化，晶間腐蝕速率也沒有明顯差異。因此，為滿足石油化工加氫裝置Incoloy825合金鋼管晶粒度、力學(xué)性能和耐晶間腐蝕性能的要求，確定Incoloy825合金固溶處理的最優(yōu)工藝為950 ℃固溶60 min。