固溶热处理对一种镍基耐蚀合金管析出相的影响

陈久锋，邵卫东

（宝钢特钢有限公司，上海200940）

固溶热处理对一种镍基耐蚀合金管析出相的影响

陈久锋，邵卫东

（宝钢特钢有限公司，上海200940）

分析了一种镍基耐蚀合金管在3种不同固溶温度（1 020℃、1 080℃和1 130℃）条件下析出相的状态特点。分析结果表明：该镍基耐蚀合金经过900℃退火处理2 h后晶界形成大量富含Cr、Mo的σ相；经1 020℃固溶处理1 h后晶界σ相仍大量存在；在1 080℃固溶处理1 h则消除了大部分的σ相，但晶界还有少量残余；而在1 130℃固溶处理1 h后则可完全消除析出相，为保证合金管耐蚀性提供了极佳组织条件。

镍基耐蚀合金管；固溶处理；固溶温度；金相组织；析出相

近年来，世界范围内能源供应短缺日益严峻，同时可开采油气资源不断减少。为了满足人类不断增长的能源需求，能源开采的重点逐渐转向一些高含CO2、H2S、Cl－等强腐蚀介质的油气资源，如我国川东北、北美墨西哥湾、挪威北海、中东南北帕斯、土库曼斯坦南约诺坦等地区的油气资源正在得到大规模开发，这也为耐蚀合金尤其是镍基合金油井管的发展提供了良好的机遇［1-4］，Inconel 718、Inconel 625、Inconel 725、Inconel G3以及Incoloy 825、Incoloy 028等合金因其优异的抗腐蚀性能正得到越来越广泛的应用［5-8］。然而镍基合金在凝固和热加工过程中极易形成种类多且形态分布多样的析出相，此类析出相的存在严重影响产品的韧性和抗腐蚀性能［9-12］；因此，研究不同固溶温度对析出相的影响规律，并在此基础上探寻消除析出相的方法，对提高产品的韧性和抗腐蚀性具有重要意义。本文对一种镍-铬-铁-钼型镍基合金管中的析出相在不同热处理工艺下的析出行为进行了分析，为现场工艺控制提供重要理论依据。

1　试验材料与方法

试验材料为镍-铬-铁-钼型镍基合金管，成分为22.3Cr-19.8Fe-7.1Mo-1.7Cu-Ni余量，试验材料制备工艺为：真空感应+电渣炼钢并模铸，后经压机锻打至一定的坯料尺寸，再经挤压和冷轧方式制管，1 080℃固溶处理后再经过900℃退火处理2 h，空冷；然后分别经1 020℃、1 080℃和1 130℃固溶处理1 h，水冷。

将试样用线切割法制成所需形状，经打磨、抛光后腐蚀处理。腐蚀剂采用20 mL HCl+20 mL H2O2（30%）配制，将H2O2缓慢倒入HCl中，用玻璃棒搅拌至均匀。然后将试样浸入到浸蚀液中约10 s，在光学显微镜下观察金相组织。透射电镜试样制备首先采用电火花切割将样品切为0.4 mm左右薄片，然后在1200号砂纸机上机械减薄至50~ 60 μm，再采用5%高氯酸乙醇溶液在-30～-25℃范围内进行化学双喷减薄。使用H-800透射电子显微镜及Jeol-2010高分辨透射电镜观察合金组织结构，并利用设备装备的EDS能谱分析试样典型部位成分组成；使用Dmax-2550 X射线衍射仪分析析出相结构。

2　试验结果与讨论

2.1合金900℃/2 h退火处理后的组织

图1所示为合金900℃/2 h退火处理后的金相组织。样品表面经浸蚀后可以明显看出，晶界被明显浸蚀，形成晶粒间较宽的沟槽，在晶界上分布有白亮的析出相。同时在部分晶界附近出现大量密集的凹坑。900℃/2 h退火过程中形成的这些晶界析出相严重影响了合金的耐蚀性能，在浸蚀剂的作用下就可形成典型的晶间腐蚀形貌。

图1　合金900℃/2 h退火处理后的金相组织

图2　合金900℃/2 h退火处理后晶界析出相分布

图3　合金900℃/2 h退火处理后晶界析出相成分

图2所示为更高放大倍数下观察到的合金900℃/2 h退火处理后晶界析出相分布。图2（a）所示为典型的情况，晶界上形成枝状的析出相，厚度在微米级；图2（b）所示为许多密集蚀坑中的析出相形貌，这种形貌多出现在与多个晶粒的共同晶界处。从图2可以发现：在晶界上的析出相可以形成连续的薄膜，另有大量析出相以针状或片状形态出现。有析出相的位置在浸蚀后一般对应形成凹坑。图3所示为合金900℃/2 h退火处理后晶界析出相成分，成分含量见表1。

表1　合金900℃/2 h退火处理后晶界析出相质量分数%

图3和表1对比列出了上述析出相的成分，可知图2（a）与图2（b）中所示的析出相成分接近，Mo含量是基体的2倍以上，但图2（b）中簇状分布的析出相具有更高的Cr、Mo含量。析出相的电子衍射花样如图4所示。衍射分析结果表明：这些相为富Cr、Mo的四方晶体结构的σ相，其分子式为（Fe，Ni）（Cr，Mo）。σ相（BA）中，A元素通常指Ti、Nb、Cr、Mo等，B元素为Fe、Co、Ni等。这种相是高温合金中的脆性相，使合金断裂强度和塑性降低［13-14］，同时由于其中富含Cr、Mo等耐腐蚀元素，使基体中的这些元素含量降低，严重削弱了合金的耐腐蚀性能［15］。在形态上，这些析出相可能形成块状、片状、针状等，且具有很宽的成分范围。

图4　析出相的电子衍射花样

2.2合金1 020℃固溶后的组织特点

图5所示为合金1 020℃固溶后的金相组织，合金晶粒尺寸平均在50 μm左右，晶界存在明显的第二相，颗粒尺寸在0.5~2.0 μm，某些颗粒在试样抛光浸蚀过程中从基体脱落而留下具有明显块状几何边界的凹坑。合金1 020℃固溶后的晶界析出相形貌如图6所示。

图5　合金1 020℃固溶后的金相组织

图6　合金1 020℃固溶后的晶界析出相形貌

表2列出了合金1 020℃固溶后析出相及其周围晶界附近基体的成分含量。可以发现，晶界附近的基体成分与合金成分差别不大，但析出相的Mo含量和Cr含量明显偏高，但仍是σ相。因此，合金先在900℃退火2 h并空冷，在此过程中容易发生σ相沿晶界的析出，再经1 020℃固溶处理并水冷，仍无法消除这种组织。

表2　合金1 020℃固溶后析出相及其周围晶界附近基体的质量分数%

2.3合金1 080℃固溶后的组织

图7所示为合金1 080℃固溶后的金相组织，合金晶粒尺寸与1 020℃时基本相同，晶界比较干净。但进一步观察却发现少数晶界上仍存在链状析出物。表3对比列出了合金1 080℃固溶后析出相及其周围晶界附近基体的成分含量。分析结果表明：该析出相也是富含Mo、Cr的σ相，说明1 080℃固溶处理尚不足以完全消除析出相。合金1 080℃固溶后的晶界残余析出相形貌如图8所示。

图7　合金1 080℃固溶后的金相组织

表3　合金1 080℃固溶后析出相及其周围晶界附近基体的质量分数%

2.4合金1 130℃固溶后的组织

图9所示为合金1 130℃固溶后的金相组织，晶粒尺寸与1 080℃相比已有明显长大，在80~ 100 μm。晶内和晶界都非常干净，未见各类析出相存在。析出相的消除为保证合金管耐蚀性提供了极佳组织条件。

图8　合金1 080℃固溶后的晶界残余析出相形貌

图9　合金1 130℃固溶后的金相组织

3　结论

分别利用FESEM、TEM、HRTEM和XRD研究了一种镍基耐蚀合金析出相经不同固溶温度处理后的组织结构，分析了析出相的类型和成分。分析结果表明：合金经过900℃退火处理2 h后出现严重的晶界析出，这些析出相是富含Cr、Mo的σ相，将显著削弱合金的耐蚀性能；经1 020℃和1 080℃固溶处理1 h后，均无法完全消除析出相；不同固溶温度的影响有所差异，1 080℃固溶处理后可以在一定程度上消除晶界的析出相，而1 130℃固溶处理可完全消除析出相。

［1］刘金玮，林久刚.国内外油气勘探开发形势及发展趋势［J］.西部探矿工程，2009（6）：81-84.

［2］李鹤林，韩礼红，张文利.高性能油井管的需求与发展［J］.钢管，2009，38（1）：1-9.

［3］李明扬，章清泉，吴会云，等.镍基耐蚀合金研究进展及其应用［J］.金属材料研究，2014，40（2）：6-12，56.

［4］杨瑞成，王晖，郑丽平，等.高性能镍基耐蚀合金的特性与研究动向［J］.材料导报，2001，15（11）：21-23.

［5］张春霞，张忠铧.G3镍基合金钝化膜的耐蚀性研究［J］.宝钢技术，2008（5）：35-38.

［6］赵春辉，郑飞，丁磊，等.耐蚀合金油井管的发展概况［J］.钢管，2014，43（4）：11-17.

［7］邓洪达，崔世华，李春福，等.镍基合金G3在高含H2S和CO2环境中的腐蚀行为［J］.腐蚀与防护，2013，34（4）：302-306.

［8］周鹏杰，何向明.热处理对一种镍基高温合金组织和持久性能的影响［J］.热加工工艺，2013，42（2）：157-160.

［9］陈长风，姜瑞景，张国安，等.镍基合金管材高温高压H2S/CO2环境中局部腐蚀研究［J］.稀有金属材料与工程，2010，39（3）：427-432.

［10］林毅.Incoloy028合金析出相和耐腐蚀性能研究［D］.上海：上海交通大学，2012.

［11］张忠铧，杨建强，张春霞，等.镍基合金油套管的析出相及对腐蚀性能的影响［J］.宝钢技术，2011（6）：1-11.

［12］张丽娜，董建新，张麦仓，等.油井管用铁镍基耐蚀合金研究［J］.世界钢铁，2013（1）：54-63.

［13］郭岩，周荣灿，侯淑芳，等.镍基合金的析出相及强化机制［J］.金属热处理，2011，36（7）：46-50.

［14］冶军.美国镍基高温合金［M］.北京：科学出版社，1978.

［15］黄乾尧，李汉康.高温合金［M］.北京：冶金工业出版社，2000.

Effect by Solid Solution Treatment on Precipitate Phase in Corrosion-resistant Nickel-based Alloy Tube

CHEN Jiufeng，SHAO Weidong
（Baosteel Special Metals Co.，Ltd.，Shanghai200940，China）

Studied here in the article are the status characteristics of the precipitate phases of a certain corrosion-% resistant nickel-based alloy tube as developed at three different solid solution temperatures，i.e.，1 020℃，1 080℃and 1 130℃.The analysis result shows that a large number σ phases rich in Cr and Mo got formed in the grain boundary，after the said alloy is annealed at 900℃for 2 hours.And after being solid solution treatment at 1 020℃for 1 hour，grain boundary σ phase still remains in large quantity.Due to solid solution treatment at 1 080℃for 1 hour，most of the σ phase is eliminated，but there still remains a small amount as residual in the grain boundary. Nevertheless，thanks to solid solution treatment at 1 130℃for 1 hour，the residual precipitate phase is completely eliminated，thus provides excellent microstructure condition for assuring corrosion resistance of the alloy pipe.

nickel-based alloy tube；solid solution treatment；solid solution temperature；metallographic str-% ucture；precipitate phase

TG156.94；TG115.21摇摇

B摇

1001-2311（2016）02-0019-04

陈久锋（1978-），男，工程师，技术厂长，主要从事热挤压钢管、冷轧不锈钢无缝钢管的技术质量管理工作。

2015-03-23；修定日期：2015-12-08）