王方軍，劉應龍，時 瑤，萬 紅，劉斌斌

(1.重慶材料研究院有限公司，重慶 400707; 2.國家儀表功能材料工程技術(shù)研究中心，重慶 400707；3.北京科技大學 新金屬材料國家重點實驗室，北京 100083)

Inconel 625合金是在Ni-Cr合金中添加Mo、Nb等主要強化元素形成的固溶強化型鎳基高溫合金，在600 ℃下具有良好的抗疲勞、蠕變、抗氧化性等優(yōu)點，即使在600～900 ℃的高溫環(huán)境下也具有較高的力學性能和良好的耐腐蝕性，廣泛應用于航空航天、核電和化工等領域的工業(yè)熱端零部件[1-3]。此外，光熱發(fā)電、核電、化工等特種工況應用領域的環(huán)境苛刻，熔融金屬、高溫鹽質(zhì)、加氫原料、氧化流體等特殊介質(zhì)需要高溫、耐腐蝕、高精度測量儀表進行原位測量，以保障生產(chǎn)過程的安全。Inconel 625合金具有優(yōu)異的抗腐蝕性和抗高溫氧化性能，被用于制造高性能壓力變送器用超薄鎳基合金膜片，達到提升工程防護能力的要求。研究人員已對該材料的鑄造性能、組織演變、加工性能、拉伸性能及蠕變行為等[4-7]進行了深入研究。固溶態(tài)的Inconel 625合金的典型組織為γ相基體上存在少量的TiN和NbC等析出物[5]，在時效過程中可能會進一步析出MC、M6C和M23C6等碳化物，Laves和δ相以及γ′、γ″等強化相。通過形變與熱處理的結(jié)合，造成微觀組織結(jié)構(gòu)的不均勻性，從而促進析出相在晶內(nèi)均勻細小地析出，還有利于碳化物等在位錯等缺陷處析出，從而提高合金的強度。與此同時，鑒于該合金高硬度、低熱導率和高加工硬化率會導致其后續(xù)加工較困難的缺點，也有研究人員通過增材制造的方法制備復雜形狀的Inconel 625合金，研究成形工藝對其組織和性能的影響[8-9]。

鑒于此，本研究通過合金純凈化冶煉控制、帶材冷軋、箔材精軋和光亮熱處理等加工工藝的設計成功制備出Inconel 625合金箔材，并對其進行650 ℃和700 ℃的等溫退火處理，采用OM、SEM和力學性能測試等方法研究了試驗合金箔材的組織演變和力學性能變化規(guī)律，并探討了再結(jié)晶過程中晶粒尺寸和碳化物析出的協(xié)同促進作用對力學性能提高的強化機理，這對于推動該箔材在核電傳感器領域的應用有著重要的指導價值。

1 試驗材料及方法

采用真空感應熔煉+電渣重熔的冶煉方法，制備了直徑為φ400 mm的Inconel 625合金鋼錠，通過鍛造、熱軋、冷軋等變形工藝，最終獲得了寬度為158 mm、厚度為50 μm的箔材。通過ICP-AES801發(fā)射光譜儀、HCS-140紅外碳硫分析儀以及電感耦合電離子體質(zhì)譜儀等儀器分析箔材的化學成分，結(jié)果如表1所示。

表1 Inconel 625合金箔材的化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

由表1可以看出，制備的箔材滿足ASTM B443-2000(2014)StandardSpecificationforNickel-Chromium-Molybdenum-ColumbiumAlloy(UNSN06625)andNickel-Chromium-Molybdenum-SiliconAlloy(UNSN06219)Plate,Sheet,andStrip的要求。將冷軋態(tài)的50 μm厚的Inconel 625合金箔材經(jīng)1000 ℃保溫3 min空冷去除加工應力后，根據(jù)服役環(huán)境的要求分別在650 ℃和700 ℃等溫退火24和48 h后空冷。箔材經(jīng)研磨拋光后用王水進行侵蝕，分別使用蔡司Image A 2M光學顯微鏡(OM)、Super55掃描電鏡(SEM)及能譜分析儀(EDS)等對退火前后的組織形貌、析出相成分及分布進行了研究，同時用最終軋制成形前厚度為0.25 mm的合金帶材經(jīng)1030 ℃保溫3 min退火處理后的試樣作為對比分析。室溫拉伸測試在Instron 5969箔材拉伸試驗機上進行，設備使用視頻引伸計對變形過程進行監(jiān)測和分析，應變速率設定為1×10-3s-1。

2 試驗結(jié)果與分析

圖1是不同狀態(tài)下Inconel 625合金的光學顯微組織。由圖1(a)可以看出，0.25 mm厚的Inconel 625合金帶材經(jīng)過1030 ℃退火3 min后，基體上存在一些腐蝕后脫落的析出相以及退火孿晶，這與文獻[4]報道中的一致。而50 μm厚的箔材經(jīng)過1000 ℃×3 min 短時退火后，基體中的灰色析出物明顯增多，晶粒尺寸也顯著減小，如圖1(b)所示。圖1(c)是箔材在650 ℃等溫退火24 h后的顯微組織，可以看出，退火過程中發(fā)生了明顯再結(jié)晶，晶粒顯著細化；進一步延長退火時間到48 h后，基體基本已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，如圖1(d)所示。當退火溫度增加到700 ℃時，基體的晶粒尺寸明顯小于650 ℃等溫退火24 h后的試樣，如圖1(e)所示，但是隨著等溫退火時間增加到48 h后，部分再結(jié)晶晶粒發(fā)生長大，如圖1(f)所示。

圖1 不同熱處理狀態(tài)下Inconel 625合金的顯微組織

隨后，進一步使用SEM對Inconel 625合金的微觀組織和析出相的成分進行了研究。經(jīng)過1030 ℃退火保溫3 min后，由圖2(a)可以看出，0.25 mm厚的Inconel 625合金帶材的晶粒尺寸為8～20 μm，在基體相內(nèi)部及晶界處存在一些白色的析出相，制樣過程中這些析出相易于從基體脫落。使用EDS研究了白色析出相1、黑色區(qū)域2和灰色區(qū)域3的成分差異，如表2 所示。白色析出物中富集C、Ti、Nb等元素，而Cr、Fe、Ni、Mo的含量則明顯少于區(qū)域2和3，沒有觀察到Mn的存在。已有研究表明，在退火過程中，Inconel 625合金中可能會析出MC、M6C以及M23C等碳化物[4]，這與本研究的結(jié)果一致。區(qū)域2和3的成分非常接近，說明這兩個區(qū)域為不同取向的γ相。經(jīng)過冷軋及后續(xù)短時退火處理后，晶粒內(nèi)部和晶界處白色析出物明顯增多，晶粒尺寸也減小到4～14 μm，晶界處和晶內(nèi)白色碳化物的含量明顯增加，這與圖1的結(jié)果一致。圖2(c, d)是箔材在650 ℃等溫退火24 h和48 h后的SEM圖，相比于等溫退火前，基體上的再結(jié)晶晶粒尺寸不一致，與此同時，晶界處出現(xiàn)了由于碳化物脫落導致的孔洞，可以明顯看出碳化物含量增多，尺寸也明顯增大。特別是經(jīng)過48 h等溫退火后，基體上出現(xiàn)了尺寸在2 μm左右的粗大碳化物，同時還發(fā)現(xiàn)了少量再結(jié)晶不完全的區(qū)域，如圖2(d)所示。當在700 ℃等溫退火24 h時也觀察到了界面處粗大白色碳化物的存在，晶粒相對于650 ℃等溫退火24 h較小，尺寸也不均勻，如圖7(e)所示。退火時間延長到48 h后，界面處出現(xiàn)更多的白色碳化物，晶粒內(nèi)部同樣可以觀察到退火孿晶的存在，晶粒尺寸較650 ℃等溫退火48 h時略有增大，如圖2(f)所示。EDS的結(jié)果表明，白色析出物4的成分與圖2(a)中區(qū)域1的成分類似，Ni、Cr含量較區(qū)域5、6明顯偏低，而Nb的含量則遠高于區(qū)域5和6。這個結(jié)果表明，在650 ℃和700 ℃等溫退火時，箔材發(fā)生再結(jié)晶的同時伴隨著晶界處富Ti、Nb的碳化物的大量析出，析出相和基體的成分沒有發(fā)生明顯改變。

表2 圖2中不同位置Inconel 625合金的成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

圖2 不同熱處理狀態(tài)下Inconel 625合金的SEM照片

圖3是50 μm厚的Inconel 625合金箔材在不同狀態(tài)下的室溫拉伸應力-應變曲線，抗拉強度、屈服強度及伸長率見表3。冷軋態(tài)經(jīng)1000 ℃短時退火后箔材的抗拉強度為800 MPa，屈服強度則為340 MPa，抗拉強度高于文獻[10]報道的鑄態(tài)試樣，屈服強度與鑄態(tài)試樣相當，但是伸長率明顯較差。但是經(jīng)過650 ℃和700 ℃等溫退火后，退火態(tài)箔材的強度和塑性顯著提升。試驗箔材經(jīng)650 ℃等溫退火24 h后的抗拉強度增加到1185 MPa，屈服強度達到了888 MPa，伸長率也有顯著提升。延長等溫退火時間到48 h后抗拉強度達到了1513 MPa，相比于未等溫退火前增加了近90%，伸長率也增加了105%。700 ℃等溫退火24 h后試驗箔材的力學性能優(yōu)于650 ℃等溫退火24 h的試樣，這與試樣的再結(jié)晶程度密切相關。從圖1和圖2可以看出，700 ℃等溫退火時再結(jié)晶的晶粒更加細小，且晶界處析出的碳化物的含量也較多。但是當在700 ℃等溫退火48 h后，試驗箔材的性能則呈現(xiàn)出下降的趨勢。從圖1(f)可以發(fā)現(xiàn)，該熱處理制度下，先析出的較小再結(jié)晶晶粒開始長大。因此可以看出，再結(jié)晶退火后力學性能的提升與晶粒尺寸和析出相的含量密切相關。隨著再結(jié)晶的進行，試驗箔材的晶粒尺寸逐漸減小，同時晶界處碳化物的含量逐漸增多，在細晶強化和析出強化的共同作用下，試驗箔材的性能顯著改善。但是當再結(jié)晶完成后，細小的再結(jié)晶晶粒將逐漸長大，試驗箔材的強度和塑性逐漸下降。與其他方法制備的Inconel 625合金對比后可以發(fā)現(xiàn)，等溫退火后試驗箔材的強度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的鑄造、鍛造及固溶時效處理后的試樣[10-12]，這些方法制備的Inconel 625合金的抗拉強度在800～900 MPa。于彥東等[13]對比了不同激光增材制造工藝對Inconel 625合金力學性能的影響，打印態(tài)的抗拉強度最高達到了1220 MPa，明顯高于其他研究人員的結(jié)果[9,11]，這與其較小的晶粒尺寸導致的細晶強化效應相關，這個結(jié)果也進一步說明再結(jié)晶導致的晶粒細化可以顯著提升試驗箔材的力學性能。但是箔材的伸長率相對較差，這可能與箔材較小的厚度相關。從圖1(b)和圖2(b)可以看出，冷軋態(tài)經(jīng)1000 ℃短時退火后的晶粒尺寸在4～14 μm，相對于箔材50 μm的總厚度，在拉伸過程中隨著試樣截面積的變小，易于沿著晶界發(fā)生破壞，進而導致箔材的塑性不足，這也與拉伸試驗的結(jié)果一致。經(jīng)650 ℃等溫退火48 h和700 ℃等溫退火24 h后試驗箔材的晶粒小于其他狀態(tài)，箔材的伸長率都超過了19%，但是700 ℃等溫退火48 h后由于發(fā)生再結(jié)晶晶粒長大，合金的伸長率開始降低。

圖3 不同熱處理狀態(tài)下Inconel 625合金箔材的室溫拉伸應力-應變曲線

表3 不同熱處理狀態(tài)下Inconel 625合金箔材的室溫力學性能及其與其他文獻的對比

3 結(jié)論

1)厚度為50 μm的Inconel 625合金箔材在650 ℃和700 ℃等溫退火過程中發(fā)生再結(jié)晶，晶粒尺寸顯著減小，同時在晶界出析出大量的富Ti和Nb的碳化物。但是700 ℃等溫退火48 h后，再結(jié)晶晶粒發(fā)生明顯長大。

2)經(jīng)1000 ℃短時退火后試驗箔材的抗拉強度為800 MPa，屈服強度則為340 MPa，伸長率為9.5%。在650 ℃和700 ℃等溫退火過程中，由于再結(jié)晶導致的細晶強化和碳化物誘發(fā)的析出強化的共同作用，使得試驗箔材的強度和塑性顯著提升，特別是在650 ℃等溫退火48 h后，抗拉強度達到了1513 MPa，相比于未退火前增加了近90%，伸長率也增加了105%。

3)Inconel 625合金箔材的伸長率與晶粒尺寸密切相關。經(jīng)1000 ℃短時退火后箔材的伸長率不足10%，隨著再結(jié)晶過程的進行，箔材的伸長率逐漸提升，但在700 ℃等溫退火48 h后，由于發(fā)生再結(jié)晶晶粒長大，伸長率開始降低。