等温退火处理对Inconel 625合金箔材组织和性能的影响

王方军，刘应龙，时 瑶，万 红，刘斌斌

(1.重庆材料研究院有限公司，重庆 400707; 2.国家仪表功能材料工程技术研究中心，重庆 400707；3.北京科技大学 新金属材料国家重点实验室，北京 100083)

Inconel 625合金是在Ni-Cr合金中添加Mo、Nb等主要强化元素形成的固溶强化型镍基高温合金，在600 ℃下具有良好的抗疲劳、蠕变、抗氧化性等优点，即使在600～900 ℃的高温环境下也具有较高的力学性能和良好的耐腐蚀性，广泛应用于航空航天、核电和化工等领域的工业热端零部件[1-3]。此外，光热发电、核电、化工等特种工况应用领域的环境苛刻，熔融金属、高温盐质、加氢原料、氧化流体等特殊介质需要高温、耐腐蚀、高精度测量仪表进行原位测量，以保障生产过程的安全。Inconel 625合金具有优异的抗腐蚀性和抗高温氧化性能，被用于制造高性能压力变送器用超薄镍基合金膜片，达到提升工程防护能力的要求。研究人员已对该材料的铸造性能、组织演变、加工性能、拉伸性能及蠕变行为等[4-7]进行了深入研究。固溶态的Inconel 625合金的典型组织为γ相基体上存在少量的TiN和NbC等析出物[5]，在时效过程中可能会进一步析出MC、M6C和M23C6等碳化物，Laves和δ相以及γ′、γ″等强化相。通过形变与热处理的结合，造成微观组织结构的不均匀性，从而促进析出相在晶内均匀细小地析出，还有利于碳化物等在位错等缺陷处析出，从而提高合金的强度。与此同时，鉴于该合金高硬度、低热导率和高加工硬化率会导致其后续加工较困难的缺点，也有研究人员通过增材制造的方法制备复杂形状的Inconel 625合金，研究成形工艺对其组织和性能的影响[8-9]。

鉴于此，本研究通过合金纯净化冶炼控制、带材冷轧、箔材精轧和光亮热处理等加工工艺的设计成功制备出Inconel 625合金箔材，并对其进行650 ℃和700 ℃的等温退火处理，采用OM、SEM和力学性能测试等方法研究了试验合金箔材的组织演变和力学性能变化规律，并探讨了再结晶过程中晶粒尺寸和碳化物析出的协同促进作用对力学性能提高的强化机理，这对于推动该箔材在核电传感器领域的应用有着重要的指导价值。

1 试验材料及方法

采用真空感应熔炼+电渣重熔的冶炼方法，制备了直径为φ400 mm的Inconel 625合金钢锭，通过锻造、热轧、冷轧等变形工艺，最终获得了宽度为158 mm、厚度为50 μm的箔材。通过ICP-AES801发射光谱仪、HCS-140红外碳硫分析仪以及电感耦合电离子体质谱仪等仪器分析箔材的化学成分，结果如表1所示。

表1 Inconel 625合金箔材的化学成分(质量分数，%)

由表1可以看出，制备的箔材满足ASTM B443-2000(2014)StandardSpecificationforNickel-Chromium-Molybdenum-ColumbiumAlloy(UNSN06625)andNickel-Chromium-Molybdenum-SiliconAlloy(UNSN06219)Plate,Sheet,andStrip的要求。将冷轧态的50 μm厚的Inconel 625合金箔材经1000 ℃保温3 min空冷去除加工应力后，根据服役环境的要求分别在650 ℃和700 ℃等温退火24和48 h后空冷。箔材经研磨抛光后用王水进行侵蚀，分别使用蔡司Image A 2M光学显微镜(OM)、Super55扫描电镜(SEM)及能谱分析仪(EDS)等对退火前后的组织形貌、析出相成分及分布进行了研究，同时用最终轧制成形前厚度为0.25 mm的合金带材经1030 ℃保温3 min退火处理后的试样作为对比分析。室温拉伸测试在Instron 5969箔材拉伸试验机上进行，设备使用视频引伸计对变形过程进行监测和分析，应变速率设定为1×10-3s-1。

2 试验结果与分析

图1是不同状态下Inconel 625合金的光学显微组织。由图1(a)可以看出，0.25 mm厚的Inconel 625合金带材经过1030 ℃退火3 min后，基体上存在一些腐蚀后脱落的析出相以及退火孪晶，这与文献[4]报道中的一致。而50 μm厚的箔材经过1000 ℃×3 min 短时退火后，基体中的灰色析出物明显增多，晶粒尺寸也显著减小，如图1(b)所示。图1(c)是箔材在650 ℃等温退火24 h后的显微组织，可以看出，退火过程中发生了明显再结晶，晶粒显著细化；进一步延长退火时间到48 h后，基体基本已经转变为等轴晶，如图1(d)所示。当退火温度增加到700 ℃时，基体的晶粒尺寸明显小于650 ℃等温退火24 h后的试样，如图1(e)所示，但是随着等温退火时间增加到48 h后，部分再结晶晶粒发生长大，如图1(f)所示。

图1 不同热处理状态下Inconel 625合金的显微组织

随后，进一步使用SEM对Inconel 625合金的微观组织和析出相的成分进行了研究。经过1030 ℃退火保温3 min后，由图2(a)可以看出，0.25 mm厚的Inconel 625合金带材的晶粒尺寸为8～20 μm，在基体相内部及晶界处存在一些白色的析出相，制样过程中这些析出相易于从基体脱落。使用EDS研究了白色析出相1、黑色区域2和灰色区域3的成分差异，如表2 所示。白色析出物中富集C、Ti、Nb等元素，而Cr、Fe、Ni、Mo的含量则明显少于区域2和3，没有观察到Mn的存在。已有研究表明，在退火过程中，Inconel 625合金中可能会析出MC、M6C以及M23C等碳化物[4]，这与本研究的结果一致。区域2和3的成分非常接近，说明这两个区域为不同取向的γ相。经过冷轧及后续短时退火处理后，晶粒内部和晶界处白色析出物明显增多，晶粒尺寸也减小到4～14 μm，晶界处和晶内白色碳化物的含量明显增加，这与图1的结果一致。图2(c, d)是箔材在650 ℃等温退火24 h和48 h后的SEM图，相比于等温退火前，基体上的再结晶晶粒尺寸不一致，与此同时，晶界处出现了由于碳化物脱落导致的孔洞，可以明显看出碳化物含量增多，尺寸也明显增大。特别是经过48 h等温退火后，基体上出现了尺寸在2 μm左右的粗大碳化物，同时还发现了少量再结晶不完全的区域，如图2(d)所示。当在700 ℃等温退火24 h时也观察到了界面处粗大白色碳化物的存在，晶粒相对于650 ℃等温退火24 h较小，尺寸也不均匀，如图7(e)所示。退火时间延长到48 h后，界面处出现更多的白色碳化物，晶粒内部同样可以观察到退火孪晶的存在，晶粒尺寸较650 ℃等温退火48 h时略有增大，如图2(f)所示。EDS的结果表明，白色析出物4的成分与图2(a)中区域1的成分类似，Ni、Cr含量较区域5、6明显偏低，而Nb的含量则远高于区域5和6。这个结果表明，在650 ℃和700 ℃等温退火时，箔材发生再结晶的同时伴随着晶界处富Ti、Nb的碳化物的大量析出，析出相和基体的成分没有发生明显改变。

表2 图2中不同位置Inconel 625合金的成分(质量分数，%)

图2 不同热处理状态下Inconel 625合金的SEM照片

图3是50 μm厚的Inconel 625合金箔材在不同状态下的室温拉伸应力-应变曲线，抗拉强度、屈服强度及伸长率见表3。冷轧态经1000 ℃短时退火后箔材的抗拉强度为800 MPa，屈服强度则为340 MPa，抗拉强度高于文献[10]报道的铸态试样，屈服强度与铸态试样相当，但是伸长率明显较差。但是经过650 ℃和700 ℃等温退火后，退火态箔材的强度和塑性显著提升。试验箔材经650 ℃等温退火24 h后的抗拉强度增加到1185 MPa，屈服强度达到了888 MPa，伸长率也有显著提升。延长等温退火时间到48 h后抗拉强度达到了1513 MPa，相比于未等温退火前增加了近90%，伸长率也增加了105%。700 ℃等温退火24 h后试验箔材的力学性能优于650 ℃等温退火24 h的试样，这与试样的再结晶程度密切相关。从图1和图2可以看出，700 ℃等温退火时再结晶的晶粒更加细小，且晶界处析出的碳化物的含量也较多。但是当在700 ℃等温退火48 h后，试验箔材的性能则呈现出下降的趋势。从图1(f)可以发现，该热处理制度下，先析出的较小再结晶晶粒开始长大。因此可以看出，再结晶退火后力学性能的提升与晶粒尺寸和析出相的含量密切相关。随着再结晶的进行，试验箔材的晶粒尺寸逐渐减小，同时晶界处碳化物的含量逐渐增多，在细晶强化和析出强化的共同作用下，试验箔材的性能显著改善。但是当再结晶完成后，细小的再结晶晶粒将逐渐长大，试验箔材的强度和塑性逐渐下降。与其他方法制备的Inconel 625合金对比后可以发现，等温退火后试验箔材的强度明显优于传统的铸造、锻造及固溶时效处理后的试样[10-12]，这些方法制备的Inconel 625合金的抗拉强度在800～900 MPa。于彦东等[13]对比了不同激光增材制造工艺对Inconel 625合金力学性能的影响，打印态的抗拉强度最高达到了1220 MPa，明显高于其他研究人员的结果[9,11]，这与其较小的晶粒尺寸导致的细晶强化效应相关，这个结果也进一步说明再结晶导致的晶粒细化可以显著提升试验箔材的力学性能。但是箔材的伸长率相对较差，这可能与箔材较小的厚度相关。从图1(b)和图2(b)可以看出，冷轧态经1000 ℃短时退火后的晶粒尺寸在4～14 μm，相对于箔材50 μm的总厚度，在拉伸过程中随着试样截面积的变小，易于沿着晶界发生破坏，进而导致箔材的塑性不足，这也与拉伸试验的结果一致。经650 ℃等温退火48 h和700 ℃等温退火24 h后试验箔材的晶粒小于其他状态，箔材的伸长率都超过了19%，但是700 ℃等温退火48 h后由于发生再结晶晶粒长大，合金的伸长率开始降低。

图3 不同热处理状态下Inconel 625合金箔材的室温拉伸应力-应变曲线

表3 不同热处理状态下Inconel 625合金箔材的室温力学性能及其与其他文献的对比

3 结论

1)厚度为50 μm的Inconel 625合金箔材在650 ℃和700 ℃等温退火过程中发生再结晶，晶粒尺寸显著减小，同时在晶界出析出大量的富Ti和Nb的碳化物。但是700 ℃等温退火48 h后，再结晶晶粒发生明显长大。

2)经1000 ℃短时退火后试验箔材的抗拉强度为800 MPa，屈服强度则为340 MPa，伸长率为9.5%。在650 ℃和700 ℃等温退火过程中，由于再结晶导致的细晶强化和碳化物诱发的析出强化的共同作用，使得试验箔材的强度和塑性显著提升，特别是在650 ℃等温退火48 h后，抗拉强度达到了1513 MPa，相比于未退火前增加了近90%，伸长率也增加了105%。

3)Inconel 625合金箔材的伸长率与晶粒尺寸密切相关。经1000 ℃短时退火后箔材的伸长率不足10%，随着再结晶过程的进行，箔材的伸长率逐渐提升，但在700 ℃等温退火48 h后，由于发生再结晶晶粒长大，伸长率开始降低。