Inconel625系列高温合金中非金属夹杂物的分离方法

摘要

Inconel625系列高温合金中非金属夹杂物的分离方法，属于金属材料中非金属夹杂物研究方法技术领域。通过选择合适的电解液对高温合金试样进行电解；电解完成后将收集到的混合萃取物利用化学方法分离，溶解碳化物，完整无损地提取了Inconel625高温合金中的细微氧化物夹杂；得到的氧化物夹杂在扫描电镜下观察，颗粒状形貌明显，能谱分析为含有Al、Mg的复合氧化物夹杂。

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属材料中非金属夹杂物的研究方法，尤其涉及Inconel625系列高温合金中非金属夹杂物的定量提取。

背景技术

Inconel625系列高温合金指625合金及其衍生材料（718、706等）。其在高温合金领域占有极其重要的地位，广泛应用于航空航天、工业燃气轮机、石油化工、船舶舰艇、核动力设备等重工业领域的关键部件。因此，要求此类材料须有极高的物理、化学性能，而微量非金属夹杂物严重影响其各项性能指标。

目前，对非金属夹杂物的研究主要集中在钢铁材料中，钢中非金属夹杂物的研究已经相当成熟，而对镍基高温合金中非金属夹杂物的研究主要是利用电解提取钢中非金属夹杂物的电解液和电解制度对其进行电解。该方法在镍基高温合金的电解中存在严重基体脱落问题；通常电解后的萃取物往往是碳化物和非金属夹杂的混合物，碳化物占绝大部分，从碳化物和非金属夹杂的混合萃取物中分离非金属夹杂物一直未受到足够重视；且镍基高温合金的纯净度远远高于普通钢种的纯净度，造成非金属夹杂物的含量和尺寸较小，在凝固过程中细小的非金属夹杂物往往作为碳化物的形核中心，部分碳化物在非金属夹杂物质点上形核长大，形成包覆结构，严重影响电解收集后对非金属夹杂物的观察和分析。因此，针对镍基高温合金而言，如何原尺寸、原形貌的提取到非金属夹杂物，并有效的去除碳化物的影响，已经成为镍基高温合金中非金属夹杂物观察与分析的重点和难点。

发明内容

本发明的目的是提供一种Inconel625系列高温合金中非金属夹杂物的分离方法。

本发明是Inconel625系列高温合金中非金属夹杂物的分离方法，其步骤为：

（1）工件制备：采用机加工的方法在合金锭夹杂物富集位置切取棒状工件；将切取的工件放在丙酮溶液中利用超声波震荡清洗10min左右；

（2）热处理：采用箱式电阻炉对清洗后的工件进行二段式固溶处理，具体热处理工艺为：1130～1170℃保温1h，升温至1200～1210℃保温1h，水冷；

（3）制作半透膜胶袋：根据工件大小将少量液态火棉胶倒入合适容量的反应容器，转动容器，使其内壁均匀附着一层火棉胶，倒出多余液体，等火棉胶干固，小心撕取下来浸入蒸馏水中备用；

（4）配制电解液：采用水溶液电解，电解液按重量具体配比为：硫酸铵1%～2%，柠檬酸2.5%～3.5%，柠檬酸氨1%～2%，余量为蒸馏水；

（5）表面处理：将热处理后工件，在未过滤的电解液中大电流电解腐蚀30～50min左右，除去工件表面的氧化皮，并用毛刷清理干净工件表面；

（6）水溶液电解：将第五步所得的待电解工件和电解装置连接好进行电解；电解时采用恒电位法，在冰水浴中控制电解温度在25～35℃，电流密度为90～120mA/cm²，电解10～12h后更换电解液，直到工件浸入电解液的部分完全电解，根据实际需求连续电解7～15个工件；

（7）清洗：电解完成后，取出半透膜胶袋，将其中的萃取物冲洗到1L的烧杯中，注满蒸馏水，静置6～12h，用虹吸管吸出碳化物与非金属夹杂物的混合萃取物上部清液，反复注满静置吸出，直到溶液无色透明；

（8）化学分离：利用水浴锅将第七步所得混合萃取物水溶液加热到80～100℃，加入等体积的饱和草酸溶液，保温10～20min后，往烧杯中滴加浓硝酸，直到溶液中含有10%的硝酸，保温0.5～2h，溶解碳化物，保留并暴露非金属夹杂物；

（9）离心收集：将第八步中所得非金属夹杂物反复清洗，在离心机上离心收集，烘干，最终得到非金属夹杂物。

本发明的有益效果为：通过二段式固溶处理使Laves相充分溶解，MC大量固溶，合金基体均匀；此水系电解液（硫酸铵1%～2%，柠檬酸2.5%～3.5%，柠檬酸氨1%～2%，余量为蒸馏水）电解合金工件过程中工件表面平整光亮，避免了基体严重脱落的问题；电解后收集到的碳化物与非金属夹杂物混合萃取物采用草酸-硝酸法与非金属夹杂物进行分离，溶解碳化物，保留并暴露非金属夹杂物，从而无损提取该系列高温合金中的非金属夹杂物。

附图说明

图1为本发明中采用的常规电解装置示意图，附图标记及对应名称为：1—冰浴槽，2—支撑胶袋的玻璃架，3—阴极，4—阴极引线，5—阳极电极夹，6—温度计，7—密封保护盖，8—合金工件（阳极），9—火棉胶袋，10—电源；图2为电解后收集到的混合萃取物图，基本为骨架状的碳化物，图3为化学分离后氧化物的扫描电镜形貌图，为Al-Mg-O组成的复合氧化物夹杂物颗粒。

具体实施方式

本发明是Inconel625系列高温合金中非金属夹杂物的分离方法，其步骤为：

（1）工件制备：采用机加工的方法在合金锭夹杂物富集位置切取棒状工件；将切取的工件放在丙酮溶液中利用超声波震荡清洗10min左右；

（2）热处理：采用箱式电阻炉对清洗后的工件进行二段式固溶处理，具体热处理工艺为：1130～1170℃保温1h，升温至1200～1210℃保温1h，水冷；

（3）制作半透膜胶袋：根据工件大小将少量液态火棉胶倒入合适容量的反应容器，转动容器，使其内壁均匀附着一层火棉胶，倒出多余液体，等火棉胶干固，小心撕取下来浸入蒸馏水中备用；

（4）配制电解液：采用水溶液电解，电解液按重量具体配比为：硫酸铵1%～2%，柠檬酸2.5%～3.5%，柠檬酸氨1%～2%，余量为蒸馏水；

（5）表面处理：将热处理后工件，在未过滤的电解液中大电流电解腐蚀30～50min左右，除去工件表面的氧化皮，并用毛刷清理干净工件表面；

（6）水溶液电解：将第五步所得的待电解工件和电解装置连接好进行电解；电解时采用恒电位法，在冰水浴中控制电解温度在25～35℃，电流密度为90～120mA/cm²，电解10～12h后更换电解液，直到工件浸入电解液的部分完全电解，根据实际需求连续电解7～15个工件；

（7）清洗：电解完成后，取出半透膜胶袋，将其中的萃取物冲洗到1L的烧杯中，注满蒸馏水，静置6～12h，用虹吸管吸出碳化物与非金属夹杂物的混合萃取物上部清液，反复注满静置吸出，直到溶液无色透明；

（8）化学分离：利用水浴锅将第七步所得混合萃取物水溶液加热到80～100℃，加入等体积的饱和草酸溶液，保温10～20min后，往烧杯中滴加浓硝酸，直到溶液中含有10%的硝酸，保温0.5～2h，溶解碳化物，保留并暴露非金属夹杂物；

（9）离心收集：将第八步中所得非金属夹杂物反复清洗，在离心机上离心收集，烘干，最终得到非金属夹杂物。

以上所述的分离方法的步骤（8）所述碳化物为NbC。

以上所述的分离方法的步骤（8）所述非金属夹杂物为细小氧化物夹杂，Inconel625高温合金中的非金属夹杂物主要是Al-Mg-O的复合氧化物。

本实施例以Inconel625合金为例，Inconel625合金通过真空感应熔炼（VIM）加电渣重熔（ESR）工艺生产。以下采用本发明实施例提供的Inconel625系列高温合金中非金属夹杂物的分离方法对Inconel625合金中非金属夹杂物进行分离提取，具体步骤如下：

第一步：工件制备：

在Inconel625合金铸锭心部位置切取棒状工件，工件尺寸为8×70mm（直径×高）。将切取的工件放在丙酮溶液中利用超声波震荡清洗10min；

第二步：热处理：

采用箱式电阻炉对清洗后的棒状工件进行二段式固溶处理。具体热处理工艺为：1150℃保温1h，升温至1200℃保温1h，水冷。通过热处理达到消除显微偏析，固溶一定MC的目的；

第三步：制作半透膜胶袋：

将少量液态火棉胶倒入150ml反应容器，转动容器，使其内壁均匀附着一层火棉胶，倒出多余液体，等火棉胶干固，小心撕取下来浸入蒸馏水中备用；

第四步：配制电解液：

电解液按重量具体配比为：硫酸铵1%～2%，柠檬酸2.5%～3.5%，柠檬酸氨1%～2%，余量为蒸馏水，倒入火棉胶袋中的电解液须经定量滤纸过滤；

第五步：表面处理：

按照图1所示连接电解装置，不放入半透膜的情况下，将热处理后工件在上述电解液中大电流电解腐蚀30min，除去工件表面的黑色氧化皮，用毛刷清理干净表面至光亮，并称重工件，记录数值；

第六步：水溶液电解：

将第五步所得的待电解工件按图1所示装配好，采用恒电位法进行电解。在冰水浴中控制电解温度30℃，电流密度为100mA/cm²，电解12h后更换电解液，直到工件浸入电解液的部分完全电解，连续电解10根工件。电解完成后称量残余金属工件重量，并记录；

第七步：清洗：

电解完成后，取出半透膜胶袋，将其中的萃取物冲洗到1L的烧杯中，注满蒸馏水，静置12h，用虹吸管吸出碳化物与非金属夹杂物混合萃取物上部的清液，反复注满静置吸出，直到溶液无色透明。用药匙取少量混合萃取物，用于扫描电镜观察；

第八步：化学分离：

利用水浴锅将第七步所得混合萃取物水溶液加热到90℃，加入等体积的饱和草酸溶液，保温15min后，往烧杯中滴加浓硝酸，直到溶液中含有10%的硝酸，保温30min后，溶解碳化物，保留并暴露非金属夹杂物；

第九步：离心收集：

将第八步中所得非金属夹杂物反复清洗后，在离心机上离心收集，烘干，最终得到非金属夹杂物，并称重。

第十步：扫描电镜分析：

在无水乙醇中用超声清洗器分别对混合萃取物和非金属夹杂物进行分散，分散后在扫描电镜下对其形貌与尺寸分析，如图2、图3所示，并利用能谱对其成分分析。从而确定电解后混合萃取物基本为尺寸在10μm左右骨架状的NbC，非金属夹杂物尺寸在1μm左右，是由Al-Mg-O组成的颗粒状复合氧化物。