固溶處理對Incoloy825合金鋼管組織和性能的影響

張玉成， 賈浩梅

(合肥實華管件有限責任公司， 安徽 合肥 230601)

Incoloy825合金是美國Huntington材料工作室于1952年針對硫酸行業開發的耐蝕合金[1]。其在還原性和氧化性腐蝕介質中耐蝕性良好，具有優異的抗氯離子應力腐蝕開裂能力，抗點蝕、縫隙腐蝕和多種腐蝕性溶液的能力，廣泛應用于石油、化工、冶金、海洋開發等諸多領域[2-3]。Incoloy825合金是一種Ni-Fe-Cr型固溶強化合金，經固溶處理后能獲得良好的綜合力學性能和耐腐蝕性能，故Incoloy825合金一般以固溶狀態交付使用。國內某石油化工加氫裝置用Incoloy825合金鋼管產品，為降低現場焊接裂紋傾向和提升抗晶間腐蝕能力和力學性能，要求產品固溶態交貨，平均晶粒度控制在7級左右，室溫拉伸試驗滿足ASME SB423標準要求，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異常長大，影響材料力學性能[4]。同時，Incoloy825合金在熱處理過程中可能會在晶界上析出碳化物，這些碳化物對合金抗晶間腐蝕性能產生不利影響[5-6]，目前，關于Incoloy825合金的研究主要集中在焊接質量控制方面，較少有人系統地研究固溶工藝對Incoloy825合金組織、力學性能和抗晶間腐蝕能力的影響。本文對固溶處理制度對Incoloy825合金管件產品組織和性能的影響規律進行了試驗分析，確定了最佳固溶工藝，滿足了石油化工加氫裝置用Incoloy825合金管件產品的材料晶粒度、力學性能和抗晶間腐蝕性能的要求。

1 試驗材料及方法

1.1 試樣材料制備

Incoloy825合金對應美際牌號為UNS N08825，試驗材料取自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量化學成分，其實測數據見表1。

表1 UNS N08825無縫鋼管的化學成分(質量分數，%)

1.2 熱處理試驗

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塊作原始對比試樣，不做熱處理，另外12塊用于固溶處理工藝試驗，固溶溫度分別為950、1000和1050 ℃，固溶時間分別為10、20、30和60 min。固溶處理試驗于高溫馬弗爐中進行，冷卻方式為水冷，水溫控制在20～40 ℃，固溶冷卻轉移時間小于15 s。

1.3 性能測試及組織觀察

固溶處理后，進行顯微組織觀察、晶間腐蝕敏感性和力學性能檢測。從固溶處理試塊上線切割出10 mm×10 mm×10 mm金相試樣，經砂紙打磨機械拋光后，采用冷酸浸蝕0.5～1 min，腐蝕液為92%HCl+5%H2SO4+3%HNO3(質量分數)，浸蝕后的金相試樣在光學顯微鏡下按照GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》規定的三圓截點法進行平均晶粒度測定，分析固溶工藝對晶粒度的影響。室溫拉伸試驗按照GB/T 228.1—2010 《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》進行，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，夾持端和平行長度之間的過渡弧的最小半徑為12 mm，比例系數k取5.64。晶間腐蝕試驗按照GB/T 15260—2016 《金屬和合金的腐蝕 鎳合金晶間腐蝕試驗方法》規定的D法執行，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，選用體積分數為65%硝酸腐蝕溶液，晶間腐蝕試驗溫度為80 ℃。

2 試驗結果及分析

2.1 固溶處理對顯微組織的影響

圖1為固溶前Incoloy825合金的顯微組織。圖2為Incoloy825合金經不同工藝固溶處理后的顯微組織。圖2(a)為Incoloy825合金經950 ℃固溶10 min后的顯微組織，基體組織為細小等軸晶，平均晶粒度為8.5級。隨著固溶時間的延長，晶粒相互吞噬，晶界在高溫下發生移動，晶粒開始長大，Incoloy825合金經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、8級和7級，晶粒長大的同時，出現了部分晶粒顯著長大的現象，呈現出了粗/細晶粒混合分布的形態，隨著固溶時間延長，晶粒大小趨于一致，混晶狀態得以改善。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，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，原子擴散劇烈，晶粒長大更為迅速，圖2(e)為Incoloy825合金經1000 ℃固溶10 min 后的金相照片，平均晶粒度由8.5級變為5.5級，隨著固溶時間的延長，晶粒繼續長大，但晶粒長大速度降低，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、4.5級和3.5級，同時伴隨著晶粒長大形成了新的晶粒結構，局部區域的晶粒內部出現退火孿晶組織。

當固溶溫度進一步升高，晶粒長大急劇加劇，如圖2(i)所示，Incoloy825合金經1050 ℃固溶10 min后，平均晶粒度由8.5級變為4.5級，隨著固溶時間的延長，晶粒長大速度減緩，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、4級和3級，晶粒內部退火孿晶數量顯著增加。

圖3 固溶處理對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律。隨著固溶溫度的升高，Incoloy825合金晶粒逐漸長大，晶粒度級數下降，但是在不同階段的生長速度有所不同，固溶溫度為950 ℃時晶粒生長較為平緩，當固溶溫度超過1000 ℃時，晶粒快速長大。這是因為晶粒長大主要是通過晶界遷移來實現的，而晶界遷移過程實際上就是原子擴散過程，溫度越高，晶粒長大速度就越快。在950 ℃固溶時，溫度較低，晶界遷移擴散速度較低，晶粒生長緩慢。當固溶溫度升高至1000 ℃時，晶粒快速生長，晶粒迅速長大的原因可歸結于兩個方面，一方面溫度升高，原子能量升高，擴散劇烈；另一方面，一些未溶的析出相基本回溶到基體γ相中，減少了原子擴散的阻力，對晶界的釘扎作用減弱，新晶粒的晶界遷移可以自由進行，因而晶粒尺寸快速增加。當固溶溫度超過1000 ℃時，晶粒不僅快速長大，同時伴生出大量退火孿晶，由于Incoloy825合金的層錯能較低，可能是在較高的固溶溫度下，晶粒通過晶界移動而生長時，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級左右的要求，同時為了避免產生大量混晶組織，推薦Incoloy825合金固溶溫度為950 ℃，固溶時間為60 min。

2.2 力學性能

GB/T 20801—2020《壓力管道規范 工業管道 第2部分：材料》規定Incoloy825合金的上限使用溫度為538 ℃，Incoloy825合金一般用在低溫環境和中溫環境工況，較少用于高溫工況，故本試驗選擇室溫拉伸，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度為670 MPa，經950、1000和1050 ℃固溶60 min后，抗拉強度分別下降至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，晶粒較細，晶界數量較多，拉伸加載變形時，位錯在晶界處受阻，滑移帶終止在晶界附近，同時由于各晶粒間存在位向差，為了協調變形，要求晶粒進行多系滑移，而多系滑移會發生位錯的相互交割，進一步提升了材料的抗拉強度。經固溶處理后，材料的平均晶粒度下降，晶粒長大，晶界數量降低，原來的細晶強化效果降低，導致材料抗拉強度下降。另一方面，隨著固溶溫度升高，基體內合金元素溶解度增大，原子擴散劇烈，析出相溶解，對位錯的釘扎作用減弱，在一定程度上也導致抗拉強度的下降。

表2 不同工藝固溶后Incoloy825合金的拉伸性能

由試驗數據可知，固溶溫度和固溶時間對Incoloy825合金的屈服強度影響明顯，未固溶處理的原始試樣屈服強度為462 MPa，經950、1000和1050 ℃固溶60 min后，屈服強度分別下降至420、326和314 MPa，這是因為屈服強度是與滑移從先塑性變形的晶粒轉移到相鄰晶粒密切相關的，而這種轉移能否發生，主要取決于在已滑移晶粒晶界附近的位錯塞積群所產生的應力集中程度，能否激發相鄰晶粒滑移系中的位錯源也開動起來，從而進行多滑移[7]。已滑移小晶粒晶界附近的位錯塞積造成比較小的應力集中，激發相鄰晶粒發生塑性變形的機會比大晶粒要小的多，需要在較大的外加應力下才能使相鄰晶粒發生塑性變形，所以晶粒越細小，其屈服強度也就越高。未固溶處理的原始試樣晶粒度為8.5級，晶粒細小，位錯塞積造成的應力集中程度小，激發相鄰晶粒塑性變形的概率低，需要較大的外應力才能發生協同的塑性變形，顯示出較高的屈服強度。隨著固溶溫度的升高和保溫時間的延長，平均晶粒度下降，晶粒粗化，細晶強化作用減弱，導致屈服強度下降。

Incoloy825合金的伸長率與固溶處理工藝有關，950 ℃固溶時，隨著固溶時間的延長，伸長率呈先下降后上升的趨勢。這是因為固溶10 min后，基體內出現粗/細晶粒混合分布，塑性變形不均勻，容易造成應力集中，導致伸長率降低。隨著固溶時間的延長，晶粒大小趨于一致，混晶狀態得以改善，繼續延長固溶時間，析出物溶解更為充分，伸長率得以提高。1000 ℃和1050 ℃固溶時，隨著固溶時間的延長，伸長率呈上升趨勢。這是由于高溫固溶時，基體內合金元素溶解度增大，原子擴散劇烈，析出相大量溶解，同時基體組織的混晶程度小，不容易造成應力集中，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率。

圖4為固溶處理對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用，除了其優異的耐腐蝕能力外，其力學性能也是重要考量因素。結合拉伸試驗可知，隨著固溶溫度的升高和保溫時間的延長，抗拉強度和屈服強度均有不同程度的下降。因此在制定固溶處理工藝時，在確保充分固溶的前提下，盡量降低固溶溫度和保溫時間，降低晶粒長大程度，試驗結果表明，Incoloy825合金在950 ℃固溶60 min后，雖然抗拉強度和屈服強度指標有所下降，但下降速率沒有1000 ℃和1050 ℃固溶時明顯，具有較高的抗拉強度和屈服強度，同時伸長率較原始試樣有所提高，此時材料的綜合力學性能較好。

圖4 固溶處理對Incoloy825合金抗拉強度(a)、屈服強度(b)和伸長率(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

晶間腐蝕試驗分5個周期，每個周期48 h，采用稱量法計算腐蝕速率，測定與碳化鉻沉淀有關的晶間腐蝕敏感性，分析固溶工藝對試樣腐蝕速率的影響，晶間腐蝕速率計算公式如式(1)所示：

(1)

式中：K為常數，取8.76×104；Δm為質量損失，g；A為試樣表面積，cm2；t為腐蝕時間，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間的延長，Incoloy825合金的晶間腐蝕速率呈現先下降后平穩的趨勢，在固溶時間超過30 min 后，晶間腐蝕速率基本穩定。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數量不斷減少[8]。M23C6析出物的開始析出溫度和碳含量有關，當碳含量為0.01%時，M23C6開始析出溫度約為843 ℃，隨著固溶溫度的升高，M23C6析出物會溶解到基體，數量減少。本試驗選取的固溶溫度都在TiC和M23C6析出物的固溶溫度范圍內，隨著固溶時間的延

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

綜合分析，固溶處理對Incoloy825合金組織、力學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間的延長，Incoloy825合金的晶粒度呈下降趨勢，抗拉強度和屈服強度也逐漸下降，腐蝕速率下降，最后趨于穩定，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，晶粒長大明顯，伸長率和耐晶間腐蝕能力隨固溶時間的延長而提高，但是其抗拉強度和屈服強度下降明顯。固溶溫度在950 ℃時，晶粒長大緩慢，抗拉強度和屈服強度略有下降，但仍然有較高的數值，在950 ℃ 固溶30 min后，基體容易出現混晶組織，導致伸長率下降，且腐蝕速率較高，因此，Incoloy825合金最佳固溶溫度為950 ℃，固溶時間為60 min。

3 結論

1) 隨著固溶溫度的升高，Incoloy825合金晶粒長大，晶粒度級數呈下降趨勢。Incoloy825合金在不同固溶溫度下的晶粒生長速度有所不同，當固溶溫度超過1000 ℃后，晶粒長大迅速，并伴生退火孿晶。在950 ℃固溶時，晶粒長大緩慢，當950 ℃固溶時間小于30 min時，基體出現混晶組織。在950 ℃固溶60 min后，混晶狀態得以改善，基體基本為等軸晶，平均晶粒度為7級，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間的延長，Incoloy825合金抗拉強度和屈服強度均有不同程度的下降，在950 ℃固溶時，雖然抗拉強度和屈服強度有所下降，但下降速率沒有1000 ℃和1050 ℃固溶時明顯，仍然具有較高的抗拉強度和屈服強度。Incoloy825合金伸長率隨著固溶溫度的升高和保溫時間的延長，總體呈上升趨勢，但是在950 ℃固溶時，隨著保溫時間的延長，伸長率先下降后上升，在950 ℃固溶60 min后，伸長率較原始試樣有所提高，此時材料的綜合力學性能較好，材料拉伸性能符合ASME SB423標準要求。

3) 隨著固溶溫度的升高和保溫時間的延長，Incoloy825合金的晶間腐蝕速率呈現先下降后平穩的趨勢。在950 ℃固溶60 min后，腐蝕速率基本穩定在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，后續隨著固溶溫度的升高，基體內析出物無明顯變化，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工藝為950 ℃固溶60 min。