基于电化学方法的Inconel718合金显微组织对应力腐蚀敏感性研究

2023-12-12罗坤杰张度宝方可伟牛绍蕊刘洪群

全面腐蚀控制 2023年11期

罗坤杰张度宝王力方可伟牛绍蕊刘洪群

（1. 苏州热工研究院有限公司，江苏苏州 215000；2. 国家核电厂安全及可靠性工程技术研究中心，江苏苏州 215000）

0 引言

Inconel718合金含有50%以上的镍元素，20%左右的Cr 元素以及3% 左右的钼元素，是重要的耐腐蚀材料之一，具有较好的力学及加工性能[1,2]，广泛应用于航空、航天和核电工业。在核电工业中718合金主要应用于反应堆燃料定位格架用的是厚度为0.3mm左右的带材，反应堆压力容器的“O”型密封环用的是冷拔无缝管材，抗辐照压紧弹簧又多为冷拉丝材或异型材等[3,4]。现有的实验数据表明，Inconel718合金可抵抗轻水堆中应力腐蚀裂纹的萌生，但材料中相对小的缺陷将会导致裂纹的快速扩展。葛锋[5]等研究发现Laves相的存在与IGSCC萌生及扩展的敏感性之间关系密切。宋宜四等[6]研究发现Inconel718合金时效处理后的第二相析出，导致合金中不同的相之间的电位不同，容易形成微观腐蚀电池，使得合金的耐蚀性下降。

本文以核电站用Inconel718合金带材为研究对象，借助电化学快、慢扫描极化曲线研究Inconel718合金应力腐蚀性能。并通过电化学刻蚀方法实现快速评估718材料内δ相的分布与形态，评价析出相对样品应力腐蚀裂纹萌生的影响及作用机制，以期对Inconel718合金在不同环境下的工程应用、服役寿命评估提供参考。

1 试验

1.1 试验材料

试验材料为国产核级718合金带材（厚0.266mm），表1为化学成分。

表1 国产核级718合金化学成分（wt.%）

试样1#制备工艺为冷轧+1080℃/1h+时效，试样2#制备工艺为冷轧+970℃/1h+时效，图1为两种试样的金相组织。试样1#为孪晶奥氏体，试样2#为奥氏体+晶界析出相。

图1 试验材料金相组织

1.2 试验方法

电化学刻蚀：刻蚀溶液为10wt.%草酸溶液；清洗溶液为10 vol.% 硝酸溶液、去离子水、酒精；恒电位大小为+1200 mV，刻蚀时间1min。刻蚀后采用扫描电镜对微观组织进行观察。

动电位阳极极化试验：试验设备为Gamry34008电化学工作站，采用经典三电极体系，辅助电极为Pt电极，参比电极为标准饱和甘汞电极，718合金带材试样为工作电极。试验溶液为NaOH溶液。测试前首先将工作电极在-1.0V下极化180s，以去除试样表面的氧化膜，将工作电极在溶液中静止浸泡1h后分别采用两种动电位扫描速率测定阳极极化曲线：快扫速率为600mV/min，慢扫速率为20mV/min。

2 结果与讨论

2.1 电化学刻蚀

对不同热处理制度的1#和2#两种718合金带材进行电化学刻蚀，试验结果如图2所示。1#材料晶粒尺寸略大于2#材料。1#材料晶界干净，未见第二相的析出。2#材料晶界或孪晶界有颗粒状δ相析出，EDS分析结果如表2所示。采用此方法电化学刻蚀718合金，晶界和析出相清晰，可有效分析δ相分布情况。

表2 EDS分析结果

图2 电化学刻蚀后样品微观形貌

2.2 动电位阳极极化分析

阳极极化试验采用Inconel718块状试片（表面积约3cm2），分别采用两种动电位扫描速率测定阳极极化曲线：快扫速率为600mV/min，慢扫速率为20mV/min，从自腐蚀电位开始进行动电位扫描极化实验，测试结果如图3所示。从上述两幅阳极极化曲线可知，快扫条件下，两种材料的自腐蚀电位和腐蚀电流非常接近，2#试样的腐蚀电流略大于1#试样，说明其腐蚀溶解速率略大于1#。慢扫条件下，低电位区间2#试样的最大腐蚀电流远大于1#试样，高电位区间，2#试样的腐蚀电流略大于1#试样。说明扫描速率为20mV/min，且处电位较低时2#材料的腐蚀溶解速率远大于1#材料。

图3 不同热处理状态Inconel718试样的快扫和慢扫阳极极化曲线

Parkins等[7]曾采用动电位快、慢扫描阳极极化的方法确定材料的IGSCC敏感电位区：快速扫描（一般达1V/min）限制了测量过程中膜的生长，再钝化来不及发生，使金属保持较活性的状态，故快扫电流密度if可代表裂纹尖端的溶解速度；慢扫（一般低至1mV/min左右）则使得腐蚀产物有足够的时间生长，使之能发生再钝化，故慢扫电流密度is可代表裂纹两壁的状况，如图4所示。根据快扫和慢扫阳极极化曲线可知，快扫极化曲线上钝化区间不明显，说明测量过程中膜的生长，再钝化不能及时发生，使金属保持较活性的状态，较好的模拟了应力裂纹尖端的溶解速度，同时，慢扫极化曲线上具有明显的钝化区，说明测量过程中钝化膜发生破裂后能够及时发生再钝化，模拟了应力裂纹扩展后，裂纹尖端两侧钝化膜的再钝化过程。

图4 应力腐蚀破裂模型示意图

为满足IGSCC基本条件，裂尖溶解速率必须大大超过裂纹两壁的溶解速率，即if>>is。根据经验，定义RSR=if/is作为预测发生IGSCC的敏感指数，由RSR-电位图的RSR峰值可表示发生IGSCC的可能性。Fang Z和Staehle等[8]根据快、慢扫描极化曲线测试结果提出了应力腐蚀敏感指数PSCC。PSCC-E图中的PIGSCC高度与IGSCC敏感性有关，PSCC值越大，IGSCC敏感性越大。根据图3的718合金快扫（600mV/min）与慢扫（20mV/min）所得的极化曲线可以计算出相应的RSR、PIGSCC值（RSR==if/is，PSCC=RSR2*is=RSR*if），两者随电位的变化如图5所示。虽然RSR、PSCC的物理意义不同，但两者随电位变化的规律基本相同，2#试样的RSR、PSCC在低电位区间内均大于1#试样，即2#试样具有更大的应力腐蚀开裂敏感性；同时，根据PIGSCC曲线可知，当电压高于4.5V时两种试样的PSCC值均出现逐渐增大的趋势，表明裂纹扩展过程中，随着电压的增大，裂纹两端金属钝化膜发生破裂，腐蚀溶解增大。

图5 应力腐蚀敏感指数PSCC（a）和IGSCC的敏感指数（b）

2.3 分析与讨论

2#材料微观组织具有更多的第二相粒子析出，基体相为阳极，微小的第二相粒子为阴极，合金中不同相之间的电位不同，容易形成微观腐蚀电池，腐蚀微电池的数量增加，使合金合金的耐腐蚀性能下降，这一结果与阳极极化曲线所分析的2#具有更高的溶解速率相对应。

时效过程中形成的δ相与IGSCC萌生及扩展的敏感性之间具有密切关系[9]，是引起Inconel718合金IGSCC的重要因素之一。结合电化学刻蚀结果表明，晶间δ析出相的存在是导致阳极极化过程中2#试样的RSR、PSCC在低电位区间内大于1#试样的重要因素，提高了Inconel718合金的IGSCC敏感性。