固溶处理对Incoloy825合金钢管组织和性能的影响

张玉成， 贾浩梅

(合肥实华管件有限责任公司， 安徽 合肥 230601)

Incoloy825合金是美国Huntington材料工作室于1952年针对硫酸行业开发的耐蚀合金[1]。其在还原性和氧化性腐蚀介质中耐蚀性良好，具有优异的抗氯离子应力腐蚀开裂能力，抗点蚀、缝隙腐蚀和多种腐蚀性溶液的能力，广泛应用于石油、化工、冶金、海洋开发等诸多领域[2-3]。Incoloy825合金是一种Ni-Fe-Cr型固溶强化合金，经固溶处理后能获得良好的综合力学性能和耐腐蚀性能，故Incoloy825合金一般以固溶状态交付使用。国内某石油化工加氢装置用Incoloy825合金钢管产品，为降低现场焊接裂纹倾向和提升抗晶间腐蚀能力和力学性能，要求产品固溶态交货，平均晶粒度控制在7级左右，室温拉伸试验满足ASME SB423标准要求，且晶间腐蚀速率<0.3 mm/y。研究表明，镍基合金晶粒在固溶处理过程可能会异常长大，影响材料力学性能[4]。同时，Incoloy825合金在热处理过程中可能会在晶界上析出碳化物，这些碳化物对合金抗晶间腐蚀性能产生不利影响[5-6]，目前，关于Incoloy825合金的研究主要集中在焊接质量控制方面，较少有人系统地研究固溶工艺对Incoloy825合金组织、力学性能和抗晶间腐蚀能力的影响。本文对固溶处理制度对Incoloy825合金管件产品组织和性能的影响规律进行了试验分析，确定了最佳固溶工艺，满足了石油化工加氢装置用Incoloy825合金管件产品的材料晶粒度、力学性能和抗晶间腐蚀性能的要求。

1 试验材料及方法

1.1 试样材料制备

Incoloy825合金对应美际牌号为UNS N08825，试验材料取自ASME SB423-2017中UNS N08825尺寸为φ325 mm×10.31 mm冷拔无缝钢管，选用Spectro test TXC03全元素光谱分析仪测量化学成分，其实测数据见表1。

表1 UNS N08825无缝钢管的化学成分(质量分数，%)

1.2 热处理试验

采用线切割沿钢管纵向加工70 mm×200 mm Incoloy825合金试块，取13块，留取1块作原始对比试样，不做热处理，另外12块用于固溶处理工艺试验，固溶温度分别为950、1000和1050 ℃，固溶时间分别为10、20、30和60 min。固溶处理试验于高温马弗炉中进行，冷却方式为水冷，水温控制在20～40 ℃，固溶冷却转移时间小于15 s。

1.3 性能测试及组织观察

固溶处理后，进行显微组织观察、晶间腐蚀敏感性和力学性能检测。从固溶处理试块上线切割出10 mm×10 mm×10 mm金相试样，经砂纸打磨机械抛光后，采用冷酸浸蚀0.5～1 min，腐蚀液为92%HCl+5%H2SO4+3%HNO3(质量分数)，浸蚀后的金相试样在光学显微镜下按照GB/T 6394—2017《金属平均晶粒度测定方法》规定的三圆截点法进行平均晶粒度测定，分析固溶工艺对晶粒度的影响。室温拉伸试验按照GB/T 228.1—2010 《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》进行，将固溶处理试块加工成纵向弧形比例试样，试样宽度为15 mm，夹持端和平行长度之间的过渡弧的最小半径为12 mm，比例系数k取5.64。晶间腐蚀试验按照GB/T 15260—2016 《金属和合金的腐蚀 镍合金晶间腐蚀试验方法》规定的D法执行，沿钢管轴向加工晶间腐蚀试样，试样尺寸30 mm× 20 mm×3 mm，经675 ℃×1 h敏化处理后，磨床加工试样表面，去除氧化皮，表面粗糙度Ra≤0.8 μm，选用体积分数为65%硝酸腐蚀溶液，晶间腐蚀试验温度为80 ℃。

2 试验结果及分析

2.1 固溶处理对显微组织的影响

图1为固溶前Incoloy825合金的显微组织。图2为Incoloy825合金经不同工艺固溶处理后的显微组织。图2(a)为Incoloy825合金经950 ℃固溶10 min后的显微组织，基体组织为细小等轴晶，平均晶粒度为8.5级。随着固溶时间的延长，晶粒相互吞噬，晶界在高温下发生移动，晶粒开始长大，Incoloy825合金经950 ℃ 固溶20、30和60 min的金相照片如图2(b～d)所示，平均晶粒度分别为8级、8级和7级，晶粒长大的同时，出现了部分晶粒显著长大的现象，呈现出了粗/细晶粒混合分布的形态，随着固溶时间延长，晶粒大小趋于一致，混晶状态得以改善。Incoloy825合金从高温到常温的基体组织均为奥氏体，未固溶处理的原始试样的平均晶粒度为8.5级，如图1所示。

图1 固溶前Incoloy825合金的显微组织Fig.1 Microstructure of the Incoloy825 alloy before solution treatment

随着固溶温度的升高，原子扩散剧烈，晶粒长大更为迅速，图2(e)为Incoloy825合金经1000 ℃固溶10 min 后的金相照片，平均晶粒度由8.5级变为5.5级，随着固溶时间的延长，晶粒继续长大，但晶粒长大速度降低，晶粒尺寸趋于均匀，在1000 ℃固溶20、30和60 min的金相照片如图2(f～h)所示，平均晶粒度分别为4.5级、4.5级和3.5级，同时伴随着晶粒长大形成了新的晶粒结构，局部区域的晶粒内部出现退火孪晶组织。

当固溶温度进一步升高，晶粒长大急剧加剧，如图2(i)所示，Incoloy825合金经1050 ℃固溶10 min后，平均晶粒度由8.5级变为4.5级，随着固溶时间的延长，晶粒长大速度减缓，在1050 ℃固溶20、30和60 min的金相照片如图2(j～l)所示，平均晶粒度分别为4级、4级和3级，晶粒内部退火孪晶数量显著增加。

图3 固溶处理对Incoloy825合金平均晶粒度的影响Fig.3 Effect of solution treatment on average grain size of the Incoloy825 alloy

图3为不同固溶处理制度下Incoloy825合金晶粒度的变化规律。随着固溶温度的升高，Incoloy825合金晶粒逐渐长大，晶粒度级数下降，但是在不同阶段的生长速度有所不同，固溶温度为950 ℃时晶粒生长较为平缓，当固溶温度超过1000 ℃时，晶粒快速长大。这是因为晶粒长大主要是通过晶界迁移来实现的，而晶界迁移过程实际上就是原子扩散过程，温度越高，晶粒长大速度就越快。在950 ℃固溶时，温度较低，晶界迁移扩散速度较低，晶粒生长缓慢。当固溶温度升高至1000 ℃时，晶粒快速生长，晶粒迅速长大的原因可归结于两个方面，一方面温度升高，原子能量升高，扩散剧烈；另一方面，一些未溶的析出相基本回溶到基体γ相中，减少了原子扩散的阻力，对晶界的钉扎作用减弱，新晶粒的晶界迁移可以自由进行，因而晶粒尺寸快速增加。当固溶温度超过1000 ℃时，晶粒不仅快速长大，同时伴生出大量退火孪晶，由于Incoloy825合金的层错能较低，可能是在较高的固溶温度下，晶粒通过晶界移动而生长时，形成退火孪晶。如图3所示，为满足石油化工加氢装置用Incoloy825钢管平均晶粒度控制在7级左右的要求，同时为了避免产生大量混晶组织，推荐Incoloy825合金固溶温度为950 ℃，固溶时间为60 min。

2.2 力学性能

GB/T 20801—2020《压力管道规范 工业管道 第2部分：材料》规定Incoloy825合金的上限使用温度为538 ℃，Incoloy825合金一般用在低温环境和中温环境工况，较少用于高温工况，故本试验选择室温拉伸，Incoloy825合金的室温拉伸性能如表2所示。未固溶处理的原始试样抗拉强度为670 MPa，经950、1000和1050 ℃固溶60 min后，抗拉强度分别下降至627、557和552 MPa。这是由于未固溶处理的试样平均晶粒度约为8.5级，晶粒较细，晶界数量较多，拉伸加载变形时，位错在晶界处受阻，滑移带终止在晶界附近，同时由于各晶粒间存在位向差，为了协调变形，要求晶粒进行多系滑移，而多系滑移会发生位错的相互交割，进一步提升了材料的抗拉强度。经固溶处理后，材料的平均晶粒度下降，晶粒长大，晶界数量降低，原来的细晶强化效果降低，导致材料抗拉强度下降。另一方面，随着固溶温度升高，基体内合金元素溶解度增大，原子扩散剧烈，析出相溶解，对位错的钉扎作用减弱，在一定程度上也导致抗拉强度的下降。

表2 不同工艺固溶后Incoloy825合金的拉伸性能

由试验数据可知，固溶温度和固溶时间对Incoloy825合金的屈服强度影响明显，未固溶处理的原始试样屈服强度为462 MPa，经950、1000和1050 ℃固溶60 min后，屈服强度分别下降至420、326和314 MPa，这是因为屈服强度是与滑移从先塑性变形的晶粒转移到相邻晶粒密切相关的，而这种转移能否发生，主要取决于在已滑移晶粒晶界附近的位错塞积群所产生的应力集中程度，能否激发相邻晶粒滑移系中的位错源也开动起来，从而进行多滑移[7]。已滑移小晶粒晶界附近的位错塞积造成比较小的应力集中，激发相邻晶粒发生塑性变形的机会比大晶粒要小的多，需要在较大的外加应力下才能使相邻晶粒发生塑性变形，所以晶粒越细小，其屈服强度也就越高。未固溶处理的原始试样晶粒度为8.5级，晶粒细小，位错塞积造成的应力集中程度小，激发相邻晶粒塑性变形的概率低，需要较大的外应力才能发生协同的塑性变形，显示出较高的屈服强度。随着固溶温度的升高和保温时间的延长，平均晶粒度下降，晶粒粗化，细晶强化作用减弱，导致屈服强度下降。

Incoloy825合金的伸长率与固溶处理工艺有关，950 ℃固溶时，随着固溶时间的延长，伸长率呈先下降后上升的趋势。这是因为固溶10 min后，基体内出现粗/细晶粒混合分布，塑性变形不均匀，容易造成应力集中，导致伸长率降低。随着固溶时间的延长，晶粒大小趋于一致，混晶状态得以改善，继续延长固溶时间，析出物溶解更为充分，伸长率得以提高。1000 ℃和1050 ℃固溶时，随着固溶时间的延长，伸长率呈上升趋势。这是由于高温固溶时，基体内合金元素溶解度增大，原子扩散剧烈，析出相大量溶解，同时基体组织的混晶程度小，不容易造成应力集中，在材料断裂前能够承受较大的变形量，故显示出较高的伸长率。

图4为固溶处理对Incoloy825合金拉伸性能的影响，Incoloy825合金能够在石油化工工程上广泛应用，除了其优异的耐腐蚀能力外，其力学性能也是重要考量因素。结合拉伸试验可知，随着固溶温度的升高和保温时间的延长，抗拉强度和屈服强度均有不同程度的下降。因此在制定固溶处理工艺时，在确保充分固溶的前提下，尽量降低固溶温度和保温时间，降低晶粒长大程度，试验结果表明，Incoloy825合金在950 ℃固溶60 min后，虽然抗拉强度和屈服强度指标有所下降，但下降速率没有1000 ℃和1050 ℃固溶时明显，具有较高的抗拉强度和屈服强度，同时伸长率较原始试样有所提高，此时材料的综合力学性能较好。

图4 固溶处理对Incoloy825合金抗拉强度(a)、屈服强度(b)和伸长率(c)的影响Fig.4 Effect of solution treatment on tensile strength(a), yield strength(b) and elongation(c) of the Incoloy825 alloy

2.3 抗晶间腐蚀性能

晶间腐蚀试验分5个周期，每个周期48 h，采用称量法计算腐蚀速率，测定与碳化铬沉淀有关的晶间腐蚀敏感性，分析固溶工艺对试样腐蚀速率的影响，晶间腐蚀速率计算公式如式(1)所示：

(1)

式中：K为常数，取8.76×104；Δm为质量损失，g；A为试样表面积，cm2；t为腐蚀时间，h；ρ为密度，取8.14 g/cm3。

不同工艺固溶处理后Incoloy825合金的晶间腐蚀速率如表3和图5所示。可以看出，随着固溶温度的升高和保温时间的延长，Incoloy825合金的晶间腐蚀速率呈现先下降后平稳的趋势，在固溶时间超过30 min 后，晶间腐蚀速率基本稳定。研究表明，Incoloy825合金的晶间腐蚀性能主要受MC相(TiC)和M23C6析出物的影响，TiC为高温析出相，约从800 ℃开始形成，在900 ℃左右形成速度最快，随着固溶温度的升高，TiC又开始溶解，从900 ℃加热到1200 ℃，TiC数量不断减少[8]。M23C6析出物的开始析出温度和碳含量有关，当碳含量为0.01%时，M23C6开始析出温度约为843 ℃，随着固溶温度的升高，M23C6析出物会溶解到基体，数量减少。本试验选取的固溶温度都在TiC和M23C6析出物的固溶温度范围内，随着固溶时间的延

表3 不同工艺固溶处理后Incoloy825合金的晶间 腐蚀速率(mm/y)

图5 固溶处理对Incoloy825合金晶间腐蚀速率的影响Fig.5 Effect of solution treatment on intergranular corrosion rate of the Incoloy825 alloy

长，基体内析出相减少，晶界贫铬现象减少，合金耐晶间腐蚀能力增强。在950 ℃固溶60 min后，基体内析出相已基本完全溶解，随着固溶温度的升高，基体内析出物无明显变化，晶间腐蚀速率也没有明显差异，基本稳定在0.12 mm/y左右。

综合分析，固溶处理对Incoloy825合金组织、力学性能和耐晶间腐蚀性能的影响：随着固溶温度的升高和保温时间的延长，Incoloy825合金的晶粒度呈下降趋势，抗拉强度和屈服强度也逐渐下降，腐蚀速率下降，最后趋于稳定，耐晶间腐蚀能力得以提升。由此可见，固溶处理可以有效改善Incoloy825合金的组织和性能，固溶温度在1000 ℃以上时，晶粒长大明显，伸长率和耐晶间腐蚀能力随固溶时间的延长而提高，但是其抗拉强度和屈服强度下降明显。固溶温度在950 ℃时，晶粒长大缓慢，抗拉强度和屈服强度略有下降，但仍然有较高的数值，在950 ℃ 固溶30 min后，基体容易出现混晶组织，导致伸长率下降，且腐蚀速率较高，因此，Incoloy825合金最佳固溶温度为950 ℃，固溶时间为60 min。

3 结论

1) 随着固溶温度的升高，Incoloy825合金晶粒长大，晶粒度级数呈下降趋势。Incoloy825合金在不同固溶温度下的晶粒生长速度有所不同，当固溶温度超过1000 ℃后，晶粒长大迅速，并伴生退火孪晶。在950 ℃固溶时，晶粒长大缓慢，当950 ℃固溶时间小于30 min时，基体出现混晶组织。在950 ℃固溶60 min后，混晶状态得以改善，基体基本为等轴晶，平均晶粒度为7级，满足石油化工加氢装置钢管的晶粒度要求。

2) 随着固溶温度的升高和保温时间的延长，Incoloy825合金抗拉强度和屈服强度均有不同程度的下降，在950 ℃固溶时，虽然抗拉强度和屈服强度有所下降，但下降速率没有1000 ℃和1050 ℃固溶时明显，仍然具有较高的抗拉强度和屈服强度。Incoloy825合金伸长率随着固溶温度的升高和保温时间的延长，总体呈上升趋势，但是在950 ℃固溶时，随着保温时间的延长，伸长率先下降后上升，在950 ℃固溶60 min后，伸长率较原始试样有所提高，此时材料的综合力学性能较好，材料拉伸性能符合ASME SB423标准要求。

3) 随着固溶温度的升高和保温时间的延长，Incoloy825合金的晶间腐蚀速率呈现先下降后平稳的趋势。在950 ℃固溶60 min后，腐蚀速率基本稳定在0.12 mm/y左右，符合石油化工加氢装置晶间腐蚀速率小于0.3 mm/ y的要求，后续随着固溶温度的升高，基体内析出物无明显变化，晶间腐蚀速率也没有明显差异。因此，为满足石油化工加氢装置Incoloy825合金钢管晶粒度、力学性能和耐晶间腐蚀性能的要求，确定Incoloy825合金固溶处理的最优工艺为950 ℃固溶60 min。