通过提高特殊晶界比例改善铁镍基合金抗氢性能的方法

摘要

本发明涉及铁镍基合金领域，具体地说是一种通过提高特殊晶界比例改善铁镍基沉淀强化奥氏体合金抗氢性能的方法，解决现有铁镍基合金饱和充氢后易形成氢致沿晶界裂纹，及其所造成的氢脆敏感性增加、延伸率降低问题。采用热机处理(单步形变热处理)方法，提升合金中的特殊晶界比例，增加合金氢致裂纹萌生和扩展阻力，改善合金的抗氢损伤能力，具体为：固溶处理→预变形→保温→水冷→时效处理→空冷的工艺路线。本发明方法处理的铁镍基合金，特殊晶界比例为65～80％，室温拉伸延伸率在33％以上；饱和热充氢后，合金的室温延伸率仍能保持在30％以上，氢致延伸率损减在10％以内。

说明书

技术领域

本发明涉及铁镍基合金领域，具体地说是一种通过提高特殊(低重合位置点阵∑≤29)晶界比例改善铁镍基沉淀强化奥氏体合金抗氢性能的方法

背景技术

奥氏体抗氢脆合金在能源、化工、国防及核领域已获得广泛应用。在奥氏体抗氢脆合金中，单相奥氏体合金的抗氢性能最好，但强度都不高，其屈服强度(σ_0.2)一般为～200MPa，高的也仅450～500MPa。沉淀强化铁镍基奥氏体抗氢合金(以下称铁镍基合金)是在单相奥氏体合金的基础上，添加合金元素发展起来的。合金中起沉淀强化作用的主要是与基体具有共格关系的γ′-Ni₃(Al,Ti)相，通过控制γ′相尺寸和分布来保证合金强度和抗氢性能，其室温屈服强度(σ_0.2)可达700MPa以上。

铁镍基合金强度虽较单相奥氏体合金为高，但抗氢损伤能力却有明显下降。以铁镍基合金J75为例，该合金室温延伸率为30％，而在饱和热充氢后，其室温延伸率降低至24％，氢致延伸率损减达到20％(氢致延伸率损减δ_L＝(δ₀-δ_H)/δ₀，δ₀：室温延伸率，δ_H：饱和充氢后室温延伸率)，表现出较强的氢致塑性损失(表1)。进一步研究发现，饱和充氢后的J75合金在拉伸变形过程中，形成较多的氢致沿晶界裂纹，这是导致合金抗氢损伤能力下降的一个重要原因。显然，通过提高铁镍基合金晶界的氢致裂纹萌生和扩展阻力，有望改善该类合金的抗氢损伤能力。

表1充氢和未充氢状态铁镍基J75合金的拉伸性能

注：每个数据取三个试样的平均值

在大量研究中，∑≤29的晶界被称为低∑值重合位置点阵(coincidencesitelattice,CSL)晶界，而其它晶界则被划分为一般大角度晶界。二者之中，∑≤29的CSL晶界具有特殊的性质，即本发明中的特殊晶界。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过提高特殊晶界比例改善铁镍基合金抗氢性能的方法，解决现有铁镍基合金易形成氢致沿晶界开裂，导致抗氢性能下降的问题。

本发明的技术方案是：

一种通过提高特殊晶界比例改善铁镍基合金抗氢性能的方法，采用热机处理方法提高特殊晶界比例，特殊晶界是指∑≤29的低重合位置点阵晶界，具体包括如下步骤：

(1)铁镍基合金板材在970～990℃保温0.5～2h；

(2)将步骤(1)中保温处理后的铁镍基合金板材进行水淬处理；

(3)将步骤(2)水淬处理后的铁镍基合金板材在冷轧机上进行4～6％的冷轧变形；

(4)将步骤(3)冷轧变形处理后的铁镍基合金板材在980～1000℃保温20～90min，随后进行水冷至室温；

(5)将步骤(4)水冷处理后的铁镍基合金板材在710～730℃保温14～24h，随后取出空冷至室温。

所述的通过提高特殊晶界比例改善铁镍基合金抗氢性能的方法，铁镍基合金板材的厚度范围为2～4mm。

所述的通过提高特殊晶界比例改善铁镍基合金抗氢性能的方法，铁镍基合金的牌号为J75。

所述的通过提高特殊晶界比例改善铁镍基合金抗氢性能的方法，采用单步形变热处理的热机处理方法，使合金中的特殊晶界比例为65～80％，形成较多的特殊晶界网络结构，打断随机大角度晶界的连通性，增加合金氢致沿晶裂纹萌生和扩展的阻力。

所述的通过提高特殊晶界比例改善铁镍基合金抗氢性能的方法，采用热机处理后的铁镍基合金板材，其充氢方法为高压气相热充氢，充氢条件为：温度为300℃±20℃，气压为10MPa±2MPa，保温时间为200h±20h。

所述的通过提高特殊晶界比例改善铁镍基合金抗氢性能的方法，在高压气相热充氢后，合金力学性能参照GB/T 228.1《金属材料拉伸试验第1部分室温试验方法》进行。

本发明的设计思想是：

本发明是通过提高特殊晶界比例改善铁镍基合金抗氢性能的方法，采用单步形变热处理的热机处理方法，将合金中的特殊晶界比例由30～40％提升至65～80％，同时利用高比例特殊晶界的引入打断大角度随机晶界的连通性，增加晶界抗氢致沿晶裂纹的萌生与扩展阻力，改善铁镍基合金的抗氢性能，具体为：固溶处理→预变形→保温→水冷→时效处理→空冷的工艺路线。固溶处理：970～990℃保温0.5～2h，一方面可消除加工硬化，使碳化物等析出相回溶；另一方面促使再结晶发生，且保持适宜的晶粒尺寸。预变形：通过预变形在晶界内部储存形变能，为后期晶界迁移，提高特殊晶界比例做准备。保温：在980～1000℃保温20～90min，这一过程中，不但会形成高比例的特殊晶界；而且在保温过程中，不同类型晶界会发生交互分解，打断大角度随机晶界的连通性。时效处理：在710～730℃保温14～24h，促使合金在时效过程中析出沉淀强化相，保证J75合金的强度。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明在不改变合金成分的前提下，仅通过单步形变热处理方法在合金中引入65～80％的特殊晶界，形成较强的特殊晶界网络结构，打断合金中大角度随机晶界的连通性，显著增加合金的氢致沿晶界裂纹萌生和扩展阻力，有效改善合金的抗氢损伤能力。

2、采用本发明方法处理的铁镍基合金，具有较佳的室温力学性能，屈服强度在700MPa以上，抗拉强度在1050MPa以上，延伸率在33％以上。

3、采用本发明方法处理的铁镍基合金，在饱和热充氢处理后，屈服强度在700MPa以上，抗拉强度在1050MPa以上，延伸率在30％以上，合金的氢致延伸率损减在10％以内。

附图说明

图1为J75合金常规处理和热机处理后的晶界特征分布结果图；其中，(a)未热机处理合金(特殊晶界比例40％)，(b)热机处理合金(特殊晶界比例75％)。

图2铁镍基合金J75的拉伸试样图。

图3饱和热充氢后J75合金拉伸试样表面裂纹与晶界类型关系；其中，(a)为图3(b)中矩形框区域的放大图，显示氢致裂纹在大角随机晶界形成并被∑3晶界所分割，不形成贯穿裂纹；(b)为拉伸试样表面的氢致沿晶裂纹；(c)为图3(b)中圆框区域的放大图，显示氢致沿晶裂纹仅在随机大角晶界形成，而不在特殊晶界(∑3)形成。

具体实施方式

在具体实施过程中，本发明通过提高特殊晶界比例改善铁镍基合金抗氢性能。采用热机处理方法促使特殊晶界比例提升至65～80％(长度比例)，打断大角度随机晶界的连通性，增加晶界对氢致裂纹萌生和扩展阻力，改善铁镍基合金的抗氢性能，其工艺流程为：固溶处理→预变形→保温→水冷→时效处理→空冷。其中：铁镍基合金板材的厚度范围为2～4mm，铁镍基合金牌号为J75，其化学成分如下：按重量百分计，Ni：29.0～32.0，Cr：14.0～16.0，Mo：1.30～1.50，钛：1.60～2.30，铝：0.2～0.5，硅：0.1～0.3，硼：0.0008～0.0025，铁：余量。

下面通过实施例和附图对本发明进一步详细描述。

实施例1:

本实施例中，对厚度为3.0mm的J75合金板材进行热机处理，特殊晶界比例达到75％，改善合金的抗氢损伤能力。具体实施过程为：

1、J75合金板材为热轧板材，热轧板材的化学成分满足GJB 5724-2006《抗氢钢棒规范》的要求。J75合金板材置于热处理炉中，在970～990℃(本实施例为980℃)保温0.5～2h(本实施例为1h)，取出水淬处理；

2、采用四辊冷轧机，将步骤1中固溶处理后的J75合金板材进行4～6％(本实施例为4.3％)的冷轧变形。

3、将步骤2冷轧变形后的J75合金板材进行保温处理，其方法为在980～1000℃(本实施例为1000℃)保温20～90min(本实施例为30min)，随后水冷至室温。

4、将步骤3水冷后的J75合金板材在710～730℃(本实施例为720℃)保温14～24h(本实施例为16h)，空冷至室温。

5、自步骤4处理后的合金板材上切取试样，进行EBSD分析，结果如图1所示，其中灰色代表特殊晶界(∑≤29)，黑色代表大角度随机晶界。相较于常规处理(未热机处理，特殊晶界比例为40％，见图1(a))，热机处理后合金中的特殊晶界比例为65～80％(本实例为75％)，形成较强的特殊晶界网络，大角度随机晶界的连通性被打断(图1(b))。

6、将按步骤4处理的J75合金按照图2加工拉伸试样，参照GB/T 228.1《金属材料拉伸试验第1部分室温试验方法》进行力学性能测试，结果见表2。

7、将按步骤4处理的J75合金按照图2加工拉伸试样，随后置于高压气相热充氢装置中，进行300℃、10MPa、200h气相热充氢处理。

8、将经步骤7充氢处理后的J75合金试样，参照GB/T 228.1《金属材料拉伸试验第1部分室温试验方法》进行拉伸测试，结果见表3。

9、截取按步骤8进行拉伸测试的试样进行微观组织及EBSD分析，结果显示，合金中氢致裂纹扩展被特殊晶界所阻碍，具体见图3。由图3可见，①氢致裂纹主要发生在大角度随机晶界(RGB)；②裂纹不在特殊晶界(∑≤29晶界)处萌生与扩展。

表2.J75合金未充氢试样力学性能

表3.J75合金充氢试样力学性能

本实施例板厚为3mm的J75合金板材，经热机处理后合金中出现大量特殊晶界，比例达到75％。合金的室温延伸率≥35％，高压气相热充氢后，合金的室温延伸率≥30％，合金的氢致延伸率损减为9.3％。

实施例2：

与实施例1不同之处在于，所用J75合金板材的厚度为3.8mm，采用6％的预变形，以及1000℃、40min的保温时间，合金中的特殊晶界比例为72.4％。

采用与实施例1化学成分相同的3.8mm厚的J75合金热轧板材，进行热机处理。在980℃保温1h，随后水淬处理；进行6％的冷轧变形后，进行1000℃、40min的保温处理，随后水冷至室温。热机处理后的样品在720℃保温16h，取出空冷至室温。采用EBSD进行晶界结构分析，结果显示合金中特殊晶界比例达到72.4％，大角度随机晶界的连通性被打断。将J75合金板材按照图2加工拉伸试样，参照GB/T 228.1《金属材料 拉伸试验第1部分室温试验方法》进行力学性能测试，结果见表4。将时效处理后的J75合金板材进行高压气相热充氢后，参照GB/T 228.1《金属材料 拉伸试验第1部分室温试验方法》进行拉伸测试，结果见表5。

表4.J75合金未充氢试样力学性能

表5.J75合金充氢试样力学性能

本实施例板厚为3.8mm的J75合金板材，经热机处理后合金中的特殊晶界比例达到72.4％。合金的室温延伸率≥34.8％，高压气相热充氢后，合金的室温延伸率≥31.5％，氢致延伸率损减为9.7％。

实施例3：

与实施例1不同之处在于，选用的J75合金板材厚度为4mm，采用5％的预变形，并进行1000℃、25min的保温处理，特殊晶界比例为77.4％。

采用与实施例1化学成分相同的4mm厚的J75合金热轧板材，进行热机处理。在980℃保温2h，随后水淬处理；进行5％的冷轧变形后，进行1000℃、25min的保温处理，随后取出水冷至室温。热机处理后的样品在720℃保温16h，取出空冷至室温。采用EBSD进行晶界结构分析，结果显示合金中特殊晶界比例达到77.4％，大角度随机晶界的连通性被打断。将J75合金板材按照图2加工拉伸试样，参照GB/T 228.1《金属材料 拉伸试验第1部分室温试验方法》进行力学性能测试，结果见表6。将时效处理后的J75合金板材进行高压气相热充氢后，参照GB/T 228.1《金属材料 拉伸试验第1部分室温试验方法》进行拉伸测试，结果见表7。

表6.J75合金未充氢试样力学性能

表7.J75合金充氢试样力学性能

本实施例板厚为4mm的J75合金板材，经热机处理后合金中的特殊晶界比例达到77.4％。合金的室温延伸率≥35.2％，高压气相热充氢后，合金的室温延伸率≥32％，氢致延伸率损减为9％。

实施例结果表明，采用本发明技术方案的工艺参数范围内，均可实现本发明目的，有效提高特殊晶界比例，显著改善合金抗氢性能。