固溶处理温度对冷轧Inco...基合金管材组织及性能的影响_秦兴文.pdf

书书书作者简介:秦兴文(1990 )，男，硕士，工程师;E-mail:qinxingwen jiuli com。收稿日期:2022-10-14DOI:10 20057/j 1003-8620 2022-00140固溶处理温度对冷轧 Inconel 601 镍基合金管材组织及性能的影响秦兴文，王坤，蔡珑，杨小平，纪怀安(浙江久立特材科技股份有限公司，湖州 313028)摘要:通过金相显微镜、扫描电子显微镜、力学试验和腐蚀试验等研究了 960 1 040 固溶温度对冷轧 Inconel601 合金管材微观组织和性能的影响。固溶温度从 960 升高到 1 040 时，合金管再结晶晶粒尺寸逐渐长大，长大速率先慢后快，这主要与析出相的溶解和元素活度有关。此温度范围内，保温 15 min 的晶粒长大激活能为393 08 kJ/mol，且合金的拉伸性能与晶粒尺寸之间的关系满足 Hall-Petch 关系式。固溶温度约在 1 020 时，硬度曲线与延伸率曲线出现交点，此时的腐蚀速率也较低且稳定。1 020 保温 15 min为Inconel 601合金159 2 mm 5 1 mm 管的最优固溶处理工艺。关键词:Inconel 601 合金;固溶处理;组织;冷轧Effect of Solution Treatment Temperature on Microstructure andProperties of Cold olled Inconel 601 Nicked-Based Alloy PipeQin Xingwen，Wang Kun，Cai Long，Yang Xiaoping，Ji Huaian(Zhejiang Jiuli Hi-Tech Metals Co，Ltd，Huzhou 313028)Abstract:The effect of 960-1 040 solution temperature on the microstructure and properties of cold-rolled Inconel 601alloy pipe is studied by metallographic microscope，scanning electron microscope，mechanical test and corrosion test Whenthe solution temperature rises from 960 to 1 040，the size of recrystallized grains of alloy pipe gradually increases，and the growth rate is slow at first and then fast，which is mainly related to the dissolution of the precipitates phase and theactivity of the elements In this temperature range，the activation energy of grain growth after holding for 15 minutes is393 08 kJ/mol，and the relationship between the tensile properties and grain size of alloy meets the Hall-Petch relation-ship When the solution temperature is about 1 020，the hardness curve and the elongation curve appear at the intersec-tion，and the corrosion rate at this time is also low and stable The optimal solution treatment process for Inconel 601 alloyis at 1 020 insulation for 15 minKey Words:Inconel 601 Alloy;Solution Treatment;Structure;Cold olledInconel 601 合金因具有良好的稳定性、高强度以及抗腐蚀、抗氧化和抗热蠕变性，故常用作耐高温和耐腐蚀材料 1-2。由于 Inconel 601 合金中添加了 Al、Cu、Ti、Nb 等元素，其热处理工艺只能选择固溶处理 3。固溶处理一方面会导致铬的晶界析出，形成贫铬区;另一方面，在固溶处理过程中会发生多晶结构的转变影响腐蚀性能 4。因此，了解固溶处理工艺对Inconel 601 合金组织、力学性能及腐蚀性能的影响至关重要。目前对该合金的研究主要集中在析出行为 5-6 和腐蚀行为 7-8 上。然而，关于该合金的组织及性能与固溶处理工艺关系的研究还未有报道。1试验材料及方法试验材料为 Inconel 601 合金冷轧管，规格为159 2 mm 5 1 mm，其化学成分见表 1。挤压工艺:302 mm 圆钢热挤压为 2084 mm 82 mm 的荒管，挤压温度为 1 080;冷轧工艺:208 4 mm 82 mm 冷轧至 159 2 mm 5 1 mm，变形量为5213%。把成品冷态试样按照 ASTM B167-18 标准加工成所需要的尺寸。在马弗炉里进行固溶处理，以 20 为温度间隔，温度范围在 960 1 040，保温 15 min，水冷。固溶处理后试样进行磨光抛光。在金相显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM)下观察组织形貌，根据 ASTM E112-13(2021)标准进行晶粒尺寸的评定，探究其组织对应固溶处理温度的变化。在万能拉伸试验机上根据 ASTM A370-21 标准进行室温拉伸测试，抗拉强度(m)550 MPa，屈服强度(p0 2)205 MPa，延伸率(A)30%，分析拉伸性能与固溶处理温度的关系，然后借助电子09第 44 卷第 2 期特殊钢Vol 44 No 22023 年 4 月SPECIAL STEELApril2023显微镜(SEM)判断拉伸断口特征;用 TH-300 洛式硬度计检测试样的硬度随固溶处理温度的变化，洛氏硬度100HB。根据 ASTM G28 A-02(2015)法进行晶间腐蚀试验，腐蚀时间为 24 h，腐蚀速率0 365 mm/a，探究固溶处理温度与腐蚀性能的关系，综合试验结果，选出最优的固溶处理工艺。表 1Inconel 601 合金化学成分/%Table 1Chemical composition of Inconel 601 alloy/%项目CSiMnPSCrNiAlCuTiNbO标准0 500 101500015210 25 0 58 0 630 1 00 170100实测0 01401560 4450 005100012243959031610162002600060000 32试验结果与讨论2 1固溶处理温度对 Inconel 601 合金管材组织的影响图1 为不同固溶处理温度保温 15 min Inconel601 合金的金相组织照片。960 固溶处理如图 1(a)所示，晶粒细小，晶粒平均尺寸为223 m，再结晶已基本完成。温度的升高，晶粒长大，但晶粒尺寸长大呈现先慢后快的趋势，在温度为1 000 时，晶粒平均尺寸为 35 7 m，如图 1(c)所示，当温度高于1 000 时，晶粒快速长大。1 020 晶粒平均尺寸为 53 2 m，1 040 晶粒平均尺寸为65 3 m。晶粒长大速率出现先慢后快的原因是因为经过大变形量的冷变形后，Inconel 601 合金基体内存在大量的残余能，当合金开始受热升温时，部分残余能得到释放，位错也有一定的消耗，但其消耗量较小，因此，固溶处理开始时晶粒长大不明显。当温度持续升高，残余能完全释放，位错消耗量较多，晶界扩散更剧烈，晶粒快速长大。图 1(a)960，(b)980，(c)1 000，(d)1 020 和(e)1 040 固溶时 Inconel 601 合金组织形貌及(f)晶粒尺寸变化Fig 1Structure morphology of Inconel 601 alloy solution treated at:(a)960，(b)980，(c)1 000，(d)1 020，(e)1040 and(f)Grain size change960 固溶处理基体中仍然存在大量线性析出相，如图 2(a)所示，析出相可以钉扎晶界，阻碍晶粒长大。固溶处理温度升高到 980、1 000 时，基体内的析出相有所减少，但少量存在的析出相仍然阻碍晶粒长大，导致晶粒尺寸长大缓慢，如图 2(b)和图 2(c)所示。当固溶处理温度到1 020 时，基体内的线性析出相已基本观察不到，如图 2(d)所示，晶粒尺寸也有了明显的长大。温度升高到19第 2 期秦兴文等:固溶处理温度对冷轧 Inconel 601 镍基合金管材组织及性能的影响1 040 时，基体内几乎观察不到析出相，晶粒尺寸快速长大，这主要与析出相的回溶以及晶界移动速率的升高密切相关，如图 2(e)所示。Inconel 601 合金含有大量的合金元素，冷变形后会形成大量的残余能以及析出相。固溶处理时，残存的能量得到释放，析出相得到回溶9。当固溶处理温度较低时，残存的能量不能完全释放，析出相只有部分回溶，对晶界仍有钉扎作用，使晶粒长大缓慢如图 2(a c)。当固溶温度达到某一温度时，残存的能量可以完全释放，析出相的溶解也彻底，晶界不再受任何外物的钉扎作用，晶粒尺寸快速长大如图 2(d e)。1 020 固溶温度下，Inconel 601 合金中的析出相已基本溶解，晶粒不再受钉扎作用的影响。图 2(a)960，(b)980，(c)1 000，(d)1 020 和(e)1 040 固溶处理的 Inconel 601 合金析出相形貌Fig2Morphology of Precipitates in Inconel 601 alloy solution treated at:(a)960;(b)980;(c)1 000;(d)1 020 and(e)1 040 由于固溶温度对 Inconel 601 合金晶粒尺寸影响大，晶粒长大过程可用 Arrhenius 公式描述10，即:D2 D02=A exp(QT)式中:D 为某温度下的平均晶粒尺寸，m;D0为原始晶粒尺寸，m;A 为指前因子;Q 为晶粒长大激活能，kJ/mol;为气体常数，=8 314 J/(molK);T为固溶处理温度，K。由于初始晶粒很小，D02 D2，则方程变为:lnD=lnA Q2T(1)式(1)中 lnA为 1/lnA以温度的倒数 10000/T 及晶粒尺寸的对数 lnD作图，并进行线性拟合，保温 15 min 不同温度倒数与晶粒尺寸对数的拟合结果如图 3 所示。由图 3 可知 b2=96 69%，均接近于 1，拟合程图3Inconel 601 合金热处理温度倒数与晶粒尺寸对数的关系图Fig 3elationship between reciprocal of heat treatment tem-perature and logarithm of grain size of Inconel 601alloy度较高。B 曲线拟合方程为:lnD=22 19 23 639 4T(2)29特殊钢第 44 卷根据式(1)、(2)可计算出 960 1 040，Inconel601 合金保温 15 min 的晶粒长大激活能为 Qb=393 08 kJ/mol。冷变形后的合金固溶处理时，一方面原子活度增大，扩散剧烈;另一方面，析出相回溶，钉扎作用减弱，晶粒生长较快。2 2固溶处理温度对 Inconel 601 合金管材力学性能的影响由图 4(a)可知，随着固溶温度的升