雖然鎳基Incoloy825合(he)金(jin)(jin)的(de)良(liang)好力學性能(neng)和耐腐蝕性能(neng)使其在機械。化工等(deng)工業設備中(zhong)被(bei)廣泛采用，但在其服(fu)役過程中(zhong)與(yu)晶界(jie)(jie)有關的(de)晶間腐蝕。晶間應力腐蝕開(kai)裂一直是鎳基合(he)金(jin)(jin)重要的(de)失效(xiao)形(xing)式。晶界(jie)(jie)兩(liang)側晶粒(li)重合(he)位(wei)置點(dian)陣（coincidence site lat-tice，CSL）密度的(de)倒數Σ不超過29的(de)晶界(jie)(jie)被(bei)認為是低(di)ΣCSL晶界(jie)(jie)，其結構有序度高(gao)，能(neng)量(liang)較低(di)，具有優(you)于隨機晶界(jie)(jie)的(de)性能(neng)，如元素在這些晶界(jie)(jie)偏(pian)聚傾(qing)向性小、抗(kang)腐蝕、抗(kang)開(kai)裂等(deng)性能(neng)。

為(wei)了優化(hua)和提(ti)高材料(liao)(liao)的(de)(de)(de)性能，WATANABE首(shou)先提(ti)出了“晶(jing)(jing)界(jie)(jie)設(she)計與控(kong)制(zhi)”的(de)(de)(de)概念(nian)(nian)，這一概念(nian)(nian)逐(zhu)級發展(zhan)成(cheng)為(wei)晶(jing)(jing)界(jie)(jie)工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)程（grain boundary engineering，GBE）研究(jiu)(jiu)領域，即通(tong)過合適的(de)(de)(de)形變和熱處理(li)工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)藝來提(ti)高特(te)殊結構(gou)晶(jing)(jing)界(jie)(jie)的(de)(de)(de)比例并控(kong)制(zhi)晶(jing)(jing)界(jie)(jie)網絡(luo)分布，從(cong)而顯著改(gai)善(shan)與晶(jing)(jing)界(jie)(jie)有(you)關的(de)(de)(de)多(duo)種性能。晶(jing)(jing)界(jie)(jie)工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)程已經成(cheng)功地應(ying)用(yong)于多(duo)種具(ju)有(you)低層錯能的(de)(de)(de)面心立方結構(gou)金(jin)屬(shu)材料(liao)(liao)，如奧(ao)氏(shi)體(ti)不(bu)銹鋼、鉛合金(jin)、鎳基合金(jin)、銅合金(jin)等，提(ti)高了這些(xie)材料(liao)(liao)與晶(jing)(jing)界(jie)(jie)相關的(de)(de)(de)多(duo)種性能。然而，目前多(duo)數研究(jiu)(jiu)工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)作都停留(liu)在實驗(yan)室晶(jing)(jing)界(jie)(jie)工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)程處理(li)以及性能驗(yan)證。要想(xiang)將晶(jing)(jing)界(jie)(jie)工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)程應(ying)用(yong)于生產(chan)中，必須在工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)廠生產(chan)用(yong)設(she)備(bei)上開展(zhan)晶(jing)(jing)界(jie)(jie)工(gong)(gong)(gong)(gong)(gong)程處理(li)，并進行性能檢驗(yan)。

本工(gong)作利用(yong)工(gong)廠(chang)生產用(yong)設(she)備對Incoloy825合金管材進(jin)行晶界工(gong)程處(chu)理，獲得(de)高(gao)比例的(de)低ΣCSL晶界，通過晶間腐(fu)蝕試驗研究晶界工(gong)程處(chu)理對Incoloy825合金管材耐晶界腐(fu)蝕性能(neng)的(de)作用(yong)。

試驗

1 試樣(yang)制備

以固溶態Incoloy825合金管作為原始(shi)材(cai)料，其化學(xue)成分（質量分數(shu)）：23.5%Cr，23.00%Fe，0.01%C，0.20%Al，0.90%Ti，0.45%Si，3.00%Mo，0.80%Mn，2.25%Cu，0.015%S，0.025%P，余量為Ni、運(yun)用工廠生產用YLB-B-5/20-15型冷拔機對Incoloy825合金管材(cai)冷拔5%后(hou)，在(zai)(zai)1050℃保(bao)溫15min并快(kuai)速(su)冷卻，標(biao)記(ji)為GBE試樣(yang)。將原始(shi)Incoloy825合金管在(zai)(zai)1050℃保(bao)溫15min并快(kuai)速(su)冷卻，標(biao)記(ji)為NonGBE試樣(yang)。然后(hou)對GBE和NonGBE試樣(yang)進行750℃保(bao)溫15h的敏化處理（Sen）并空冷，分別標(biao)記(ji)為GBE-Sen和NonGBE-Sen試樣(yang)。

2 性能表征及(ji)腐蝕試驗

用光學顯微鏡（OM）觀察各試樣的(de)顯微組織。利用配備在CamScan Apollo300熱場發射槍(qiang)掃描電子顯微鏡（SEM）中的(de)HKL-EBSD附(fu)件對試樣表面(mian)微區逐點逐行(xing)進行(xing)掃描，掃描步長為3μm，掃描區域為1050μm×660μm；測(ce)(ce)試結果(guo)采用HKL-Channel5軟件分(fen)析(xi)處理，測(ce)(ce)量(liang)系統采用Palumbo-Aust標準(zhun)確定晶界類型。兩側晶粒(li)不具有低(di)ΣCSL取向(xiang)關(guan)系的(de)晶界稱為隨(sui)機晶界（Random boundary）。

將上述制備(bei)好的(de)(de)試(shi)(shi)樣(yang)用(yong)線切(qie)割方法沿管子(zi)軸向(xiang)平(ping)均剖開(kai)成4份，截取30mm高，表(biao)面(mian)積約9cm2的(de)(de)腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)試(shi)(shi)樣(yang)進(jin)行晶(jing)間腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)試(shi)(shi)驗(yan)。腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)試(shi)(shi)樣(yang)經機械研(yan)磨。拋(pao)光，再(zai)經電解拋(pao)光獲(huo)得干凈的(de)(de)表(biao)面(mian)，然后(hou)(hou)清洗(xi)(xi)。干燥。測量(liang)(liang)(liang)計算其表(biao)面(mian)積及稱量(liang)(liang)(liang)（精(jing)確(que)到0.1mg）。采(cai)用(yong)ASTM A262C法進(jin)行晶(jing)間腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)試(shi)(shi)驗(yan)，根據標準，晶(jing)間腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)溶(rong)液(ye)為(wei)（65±0.2）%（質量(liang)(liang)(liang)分數）硝(xiao)酸(suan)溶(rong)液(ye)。將各腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)試(shi)(shi)樣(yang)放入1000mL配有冷凝裝置的(de)(de)寬(kuan)口錐形(xing)(xing)瓶中，并用(yong)750mL的(de)(de)硝(xiao)酸(suan)溶(rong)液(ye)浸泡，腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)試(shi)(shi)樣(yang)之(zhi)間彼此不接觸。將錐形(xing)(xing)瓶放在(zai)加熱(re)(re)板(ban)上加熱(re)(re)，至硝(xiao)酸(suan)溶(rong)液(ye)沸(fei)騰，并在(zai)測試(shi)(shi)期間保持酸(suan)液(ye)沸(fei)騰。每隔96h取出(chu)試(shi)(shi)樣(yang)，先用(yong)水(shui)沖洗(xi)(xi)，再(zai)在(zai)流(liu)動(dong)水(shui)下(xia)用(yong)橡膠刷進(jin)行擦洗(xi)(xi)去(qu)掉試(shi)(shi)樣(yang)表(biao)面(mian)黏附的(de)(de)腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)產物，然后(hou)(hou)在(zai)酒精(jing)中清洗(xi)(xi)，再(zai)用(yong)電吹風將試(shi)(shi)樣(yang)烘干，最后(hou)(hou)對(dui)各試(shi)(shi)樣(yang)再(zai)次稱量(liang)(liang)(liang)，并用(yong)光學(xue)顯微鏡和(he)掃描電鏡觀察(cha)腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)后(hou)(hou)試(shi)(shi)樣(yang)的(de)(de)表(biao)面(mian)形(xing)(xing)貌。這(zhe)樣(yang)的(de)(de)腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)過(guo)程共進(jin)行7個(ge)周期，每個(ge)周期完畢(bi)后(hou)(hou)更換新的(de)(de)腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)溶(rong)液(ye)，7個(ge)周期完畢(bi)獲(huo)得每個(ge)試(shi)(shi)樣(yang)的(de)(de)腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)失重曲線。

結果與(yu)討論(lun)

圖1 GBE和(he)NonGBE試樣的顯微(wei)組織(zhi)和(he)晶界形貌

從圖1（a，b）中可看(kan)出：顯微(wei)(wei)組(zu)織(zhi)中含(han)有大量的(de)退火(huo)孿(luan)(luan)晶(jing)(jing)，形貌為平直的(de)線段，退火(huo)孿(luan)(luan)晶(jing)(jing)是(shi)低(di)層(ceng)錯能面心立(li)方(fang)材料中很常見的(de)一種顯微(wei)(wei)組(zu)織(zhi)。退火(huo)孿(luan)(luan)晶(jing)(jing)與母體晶(jing)(jing)粒之間保持(chi)<111&gt;60°的(de)取向關系，即Σ3的(de)CSL關系。

從(cong)圖1（c，d）中(zhong)(zhong)可以(yi)看出：GBE試樣的(de)(de)Σ3，Σ9及(ji)Σ27等低ΣCSL晶界相互連接構成大量的(de)(de)Σ3-Σ3-Σ9和Σ3-Σ9-Σ27等Σ3n類(lei)型的(de)(de)三叉晶界（n=1，2，3）；而NonGBE試樣中(zhong)(zhong)的(de)(de)Σ3晶界幾乎都(dou)以(yi)孤(gu)立的(de)(de)直線或直線對形態(tai)存在于顯(xian)微組織中(zhong)(zhong)。

利用(yong)HKL-Channel5軟(ruan)件對試(shi)(shi)樣(yang)的(de)(de)(de)晶(jing)(jing)(jing)(jing)界特征分(fen)布進行(xing)統計（圖略）。結果(guo)表明(ming)：GBE試(shi)(shi)樣(yang)的(de)(de)(de)低ΣCSL晶(jing)(jing)(jing)(jing)界比(bi)例為76.1%，其中絕大部分(fen)都是Σ3孿(luan)晶(jing)(jing)(jing)(jing)界，比(bi)例為65.2%；而NonGBE試(shi)(shi)樣(yang)的(de)(de)(de)低ΣCSL晶(jing)(jing)(jing)(jing)界比(bi)例約(yue)為48.8%，顯著低于(yu)GBE試(shi)(shi)樣(yang)的(de)(de)(de)。通過HKL-Channel5軟(ruan)件的(de)(de)(de)等效(xiao)圓直徑測得GBE和(he)NonGBE試(shi)(shi)樣(yang)的(de)(de)(de)晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)尺(chi)(chi)寸(cun)分(fen)別(bie)為16.5 μm和(he)16.7μm，統計晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)尺(chi)(chi)寸(cun)時將(jiang)孿(luan)晶(jing)(jing)(jing)(jing)計算(suan)在內。敏化處(chu)理(li)后的(de)(de)(de)GBE-Sen和(he)NonGBE-Sen試(shi)(shi)樣(yang)的(de)(de)(de)晶(jing)(jing)(jing)(jing)界特征和(he)晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)尺(chi)(chi)寸(cun)分(fen)布較GBE和(he)NonGBE試(shi)(shi)樣(yang)的(de)(de)(de)幾乎沒有區(qu)別(bie)。

圖2 各試樣經不(bu)同時間(jian)晶間(jian)腐蝕后的SEM形(xing)貌(mao)

從圖2中可(ke)以看到(dao)(dao)：經(jing)(jing)(jing)過(guo)(guo)96h腐(fu)蝕后(hou)，GBE、NonGBE、GBE-Sen和NonGBE-Sen試(shi)(shi)樣(yang)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)都沒有(you)(you)明顯(xian)的腐(fu)蝕跡象；而經(jing)(jing)(jing)過(guo)(guo)288h腐(fu)蝕后(hou)，NonGBE-Sen試(shi)(shi)樣(yang)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)出(chu)現晶粒掉落，未經(jing)(jing)(jing)敏(min)化處(chu)理(li)的GBE、NonGBE試(shi)(shi)樣(yang)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)晶粒變化不大，只是(shi)NonGBE試(shi)(shi)樣(yang)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)的晶界(jie)腐(fu)蝕相對(dui)較(jiao)深(shen)；當(dang)腐(fu)蝕時間(jian)(jian)延(yan)長(chang)(chang)至(zhi)(zhi)384h時，NonGBE-Sen試(shi)(shi)樣(yang)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)晶粒脫落明顯(xian)，而GBE-Sen試(shi)(shi)樣(yang)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)還是(shi)十分完整，表(biao)(biao)(biao)現出(chu)較(jiao)好的耐晶間(jian)(jian)腐(fu)蝕性能；當(dang)腐(fu)蝕時間(jian)(jian)延(yan)長(chang)(chang)至(zhi)(zhi)480h及720h時，NonGBE-Sen試(shi)(shi)樣(yang)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)層晶粒繼續不斷脫落，且已經(jing)(jing)(jing)發展(zhan)到(dao)(dao)材(cai)料內部(bu)，而GBE-Sen試(shi)(shi)樣(yang)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)只有(you)(you)很少的晶粒脫落，但晶界(jie)的腐(fu)蝕痕(hen)跡加(jia)深(shen)，說明經(jing)(jing)(jing)過(guo)(guo)GBE處(chu)理(li)的Incoloy825合金敏(min)化試(shi)(shi)樣(yang)具有(you)(you)更好的耐晶間(jian)(jian)腐(fu)蝕性能。

從(cong)圖3中可以看到(dao)：在腐蝕(shi)(shi)過(guo)(guo)(guo)程中，GBE、Non-GBE、GBE-Sen和NonGBE-Sen試(shi)樣(yang)(yang)單位面積的(de)腐蝕(shi)(shi)質(zhi)量(liang)損失(shi)從(cong)大到(dao)小依(yi)次為NonGBE-Sen>GBE-Sen>NonGBE>GBE、對于(yu)敏(min)(min)化處(chu)理(li)(li)(li)的(de)試(shi)樣(yang)(yang)，經(jing)GBE處(chu)理(li)(li)(li)的(de)敏(min)(min)化試(shi)樣(yang)(yang)GBE-Sen的(de)腐蝕(shi)(shi)質(zhi)量(liang)損失(shi)明顯低于(yu)未經(jing)過(guo)(guo)(guo)GBE處(chu)理(li)(li)(li)的(de)敏(min)(min)化試(shi)樣(yang)(yang)NonGBE-Sen的(de)；對于(yu)未敏(min)(min)化處(chu)理(li)(li)(li)的(de)試(shi)樣(yang)(yang)，經(jing)GBE處(chu)理(li)(li)(li)的(de)GBE試(shi)樣(yang)(yang)的(de)腐蝕(shi)(shi)質(zhi)量(liang)損失(shi)和未經(jing)過(guo)(guo)(guo)GBE處(chu)理(li)(li)(li)的(de)NonGBE試(shi)樣(yang)(yang)的(de)區別(bie)不是很明顯，但(dan)由于(yu)Incoloy825合金的(de)含碳量(liang)很低，前者略低于(yu)后(hou)者。

圖3 各試樣的腐(fu)蝕失重曲線

以上試驗結(jie)果(guo)表明(ming)，經過(guo)GBE 處(chu)理后Incoloy825合(he)金的(de)抗(kang)晶間腐(fu)蝕能力明(ming)顯增強。經過(guo)敏化處(chu)理后，不(bu)同(tong)類(lei)型晶界(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)的(de)貧鉻(ge)區(qu)深度和寬度不(bu)同(tong)，因此不(bu)同(tong)類(lei)型晶界(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)的(de)抗(kang)晶間腐(fu)蝕性能有很(hen)大的(de)區(qu)別。低(di)ΣCSL晶界(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)，特別是Σ3晶界(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)結(jie)構十分有序。界(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)面能低(di)，敏化處(chu)理后晶界(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)上不(bu)易(yi)析出碳化物，晶界(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)附近貧鉻(ge)現象(xiang)不(bu)如隨機晶界(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)處(chu)嚴重，所以不(bu)容易(yi)遭受腐(fu)蝕。

圖4 晶間腐蝕192h后(hou)GBE-Sen試樣中不同(tong)類型晶界的腐蝕情(qing)況

圖(tu)4為晶(jing)(jing)(jing)間腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)192h后GBE-Sen試樣(yang)(yang)(yang)中(zhong)不同類(lei)型(xing)晶(jing)(jing)(jing)界(jie)(jie)(jie)(jie)的(de)(de)(de)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)情況。結果表明，在相同的(de)(de)(de)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)環境中(zhong)，低ΣCSL晶(jing)(jing)(jing)界(jie)(jie)(jie)(jie)的(de)(de)(de)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)程度較隨(sui)機晶(jing)(jing)(jing)界(jie)(jie)(jie)(jie)的(de)(de)(de)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)程度淺。比如(ru)，Σ3晶(jing)(jing)(jing)界(jie)(jie)(jie)(jie)的(de)(de)(de)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)痕跡遠小于其他類(lei)型(xing)晶(jing)(jing)(jing)界(jie)(jie)(jie)(jie)的(de)(de)(de)，Σ9晶(jing)(jing)(jing)界(jie)(jie)(jie)(jie)雖有(you)一(yi)(yi)定(ding)程度的(de)(de)(de)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)但腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)痕跡也比隨(sui)機晶(jing)(jing)(jing)界(jie)(jie)(jie)(jie)的(de)(de)(de)輕(qing)。GBE試樣(yang)(yang)(yang)中(zhong)低ΣCSL晶(jing)(jing)(jing)界(jie)(jie)(jie)(jie)比例(li)高，如(ru)果晶(jing)(jing)(jing)間腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)沿著(zhu)一(yi)(yi)般大角度晶(jing)(jing)(jing)界(jie)(jie)(jie)(jie)擴展，腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)擴展路徑不可避免地會遇(yu)到Σ3-Σ3-Σ9和Σ3-Σ9-Σ27等(deng)類(lei)型(xing)的(de)(de)(de)三(san)(san)叉晶(jing)(jing)(jing)界(jie)(jie)(jie)(jie)，如(ru)果Σ9晶(jing)(jing)(jing)界(jie)(jie)(jie)(jie)被腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)，另外兩條相連(lian)的(de)(de)(de)Σ3晶(jing)(jing)(jing)界(jie)(jie)(jie)(jie)就能有(you)效抵擋腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)進一(yi)(yi)步擴展。對比分(fen)析圖(tu)1（c）和（d）中(zhong)的(de)(de)(de)不同類(lei)型(xing)晶(jing)(jing)(jing)界(jie)(jie)(jie)(jie)分(fen)布(bu)可知(zhi)，GBE試樣(yang)(yang)(yang)和NonGBE-Sen試樣(yang)(yang)(yang)中(zhong)Σ3n晶(jing)(jing)(jing)界(jie)(jie)(jie)(jie)相互(hu)連(lian)接(jie)形成的(de)(de)(de)三(san)(san)叉晶(jing)(jing)(jing)界(jie)(jie)(jie)(jie)在數量(liang)(liang)上有(you)明顯(xian)差別。因(yin)此，可以(yi)認為，GBE處理后形成的(de)(de)(de)大量(liang)(liang)相互(hu)連(lian)接(jie)的(de)(de)(de)Σ3-Σ3-Σ9和Σ3-Σ9-Σ27等(deng)Σ3n類(lei)型(xing)三(san)(san)叉晶(jing)(jing)(jing)界(jie)(jie)(jie)(jie)是提高Incoloy825合金耐(nai)晶(jing)(jing)(jing)間腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)性能的(de)(de)(de)主(zhu)要原因(yin)。

結論

（1）通過生產用冷拔機對鎳基Incoloy825合(he)金管(guan)材進行小變形量冷加工再進行退火，可以將(jiang)其中的(de)低(di)ΣCSL晶界比例提高到75%以上。

（2）晶(jing)界工程(cheng)處理(li)能(neng)夠顯著提高Incoloy825合金的(de)耐(nai)晶(jing)間腐蝕(shi)性能(neng)。

（3）GBE處理后Incoloy825合金中形成的大量相互連(lian)接的Σ3-Σ3-Σ9和Σ3-Σ9-Σ27等(deng)Σ3n類(lei)型三叉晶界是其耐晶間腐(fu)蝕性(xing)能提高的主要原因。