表面状态对N06625 镍基合金去应力热处理后腐蚀性能的影响

廖 娇

（1.上海市特种设备监督检验技术研究院， 上海 200062；2.上海压力管道智能检测工程技术研究中心， 上海 200062）

近些年石油和化工产品的社会需求持续增加，其使用性能也在向着多样化发展，其中温度、压力的提高， 介质中氯化物和硫化物数量的增加要求材料具有更佳的耐腐蚀性能， 普通金属材料已无法满足严苛工况下使用的设备要求［1］。 镍基合金对包括全面腐蚀、局部腐蚀、应力腐蚀以及晶间腐蚀在内的多种形式的腐蚀破坏均有出色的耐抗性，而且具备优异的的机械加工性能、可焊接性能以及力学性能， 因此被广泛应用于环境恶劣的腐蚀工况下［2-4］。 N06625 镍基合金材料在某些生产制作过程（如管子弯制、板材卷制或复合板爆炸复合）中会产生一定程度的残余应力，如果应力得不到有效释放， 就可能会因设备局部应力过大而导致整个设备变形或报废失效［5-8］。因此常常需要进行去应力热处理来消除制造过程中产生的残余应力。 而去应力热处理会给材料的耐腐蚀性能带来一定程度的伤害， 特别是在材料表面清洁度不够，存在附着油污时，更会在一定程度上影响材料的腐蚀性能［9-10］。 为进一步探究表面状态对N06625镍基合金去应力热处理后腐蚀性能的影响， 文中通过腐蚀试验和金相检测试验获取试验数据，对比分析不同表面状态下N06225 镍基合金材料在去应力热处理后的腐蚀速率， 优选去应力热处理前母材表面处理方式。

1 镍基板材热处理工艺试验

1.1 工艺方案

针对N06625 镍基合金板材热处理制定3 种工艺，①消应力热处理（SR）。 ②最小热处理（Min PWHT）。 ③最大热处理（Max PWHT）。

SR 操作参数根据复合板板材厂家推荐确定，本次SR 的温度为570 ℃，保温时间为3 h。

Min PWHT 指对试样进行特定条件下的热处理，用以模拟最小的热处理（奥氏体化，回火和一次焊后热处理循环， 以及超过482 ℃的中间应力释放）。 操作温度的确定要综合考虑设备卷制过程、焊接后的设备整体材料焊后热处理的需求，保温时间的确定要综合考虑项目的要求、 工厂内可能发生的生产返修、 预留到现场可能的一次返修时间以及设备基层的厚度等影响因素。 本次模拟Min PWHT 热处理试验操作参数确定为620 ℃下保温3.3 h。

Max PWHT 指对试样进行特定条件下的热处理，用以模拟所有制造时期的热处理，包括奥氏体化和回火、 所有高于482 ℃的中间应力释放热处理、最终焊后热处理、可能的车间返修焊后热处理循环及业主将来可能用到的最小的附加焊后热处理等。本次模拟Max PWHT 热处理试验操作参数确定为620 ℃下保温11 h，同时腐蚀速率要求为不大于0.91 mm/a。

1.2 样板制备

热处理试验选择的镍基板材牌号为SB-444 N06625， 厚度为4 mm。 采用线切割方式从原始N06625 板材（入库未使用状态）上选取3 组试样，分别用编号标记为01#、02#、03#。 选择现场流转的NO6625 板材， 用相同的方式在其上取6 组试样，在其表面均匀涂刷防锈油， 模拟现场板材表面有油污的情况。 取其中3 组试样用编号标记为1#、2#、3#， 余下3 组试样进一步做表面脱脂处理，用编号标记为4#、5#、6#。 每块试样的尺寸（长×宽×厚）均为150 mm×200 mm×4 mm。

2 热处理后腐蚀性能试验

2.1 供货状态表面

根据制定的热处理参数， 对01#试样不进行热处理，对02#试样进行SR+ Min PWHT，对03#试样进行SR+ Max PWHT。 热处理完成后，按照ASTM G28-A—2002 （Reapproved 2015） 《Standard Test Method for Detecting Susceptibility to Intergranular Corrosion in Wrought,Nickel-rich, Chromium-bearing Alloys》［11］分别进行01#、02#、03#试样的腐蚀速率测定试验，试验时间为120 h，试验测得的腐蚀速率见表1。

表1 供货态表面N06625 材料腐蚀速率测定结果

从表1 中的腐蚀速率数据可以看出， 供货状态表面SB-444 N06625 镍基板材不进行热处理、进行热处理后的腐蚀速率均满足本研究所属项目要求的不大于0.91 mm/a 的使用要求。

2.2 表面涂油状态

根据制定的热处理参数， 对1#试样进行SR，对2#试样进行SR+ Min PWHT，对3#试样进行SR+Max PWHT。 应力模拟热处理完成后， 按照ASTM G28-A—2002 （Reapproved 2015） 进行1#、2#、3#试样的腐蚀速率测定试验，试验时间为120 h，试验测得的腐蚀速率见表2。

表2 表面涂油状态N06625 材料腐蚀速率测定结果

从表2 中的腐蚀速率数据可以看出，2#、3#试样的腐蚀速率远超该项目要求的0.91 mm/a，这说明材料表面的耐腐蚀性发生了大幅下降。 这种大幅下降不符合N06625 合金材料长时间在热处理温度区间内停留时，晶界上会有碳化物析出，从而导致材料耐腐蚀性下降的情况。 考虑到这3 块试样在做热处理前，表面都刷有防锈油，推断很有可能是表面油脂在热处理时对材料性能产生影响，导致腐蚀速率的增加［12-13］。

2.3 表面脱脂状态

为了查明是否是由于热处理时表面油脂的影响导致耐腐蚀性下降， 选择材料表面进行完全脱脂处理的试样4#、5#、6#分别进行SR、SR+ Min PWHT、SR+ Max PWHT。 应力模拟热处理完成后，按照ASTM G28-A—2002（Reapproved 2015）分别进行4#、5#、6#试样的腐蚀速率测定试验， 试验时间为120 h，试验测得的腐蚀速率见表3。

表3 表面脱脂N06625 材料腐蚀速率测定结果

本研究所属项目要求的镍基板材腐蚀速率为不大于0.91 mm/a。 从表3 中的腐蚀速率数据可以看出，经过脱脂处理后重新热处理后，试样的腐蚀速率符合项目要求。

3 热处理后材料金相组织检测及分析

3.1 扫描电镜分析

针对表面有油脂的试样在去应力热处理后进行腐蚀试验后出现明显的腐蚀速率下降的情况， 选择前述3#试样的表层及表层下0.3 mm 处组织进行制样, 并在扫描电镜下观察其晶界析出物的分布情况，见图1。

图1 3#试样晶界析出扫描电镜图（20 000×）

图1 显示，越接近试样表面位置，晶界析出物越多。

3.2 扫描电镜分析

3.2.1 3#试样

在3#试样上选取2 个位置（图2），采用能谱仪进行试样晶界上析出物成分分析， 得到位置M23C6 和位置M6C 能谱检测图,见图3。

图2 能谱分析位置（20 000×）

图3 3#试样晶界析出物电镜扫描图(10 000×）

基于图3 分析结果进行判断可知， 析出物为Cr23C6和M6C 碳化物的混合物，这说明造成腐蚀速率增加的主要原因是， 碳化铬在晶界上析出造成晶格内铬元素的偏析，从而产生晶间腐蚀，其碳化铬在晶界上析出严重，造成合金腐蚀速率超标［14］。

3.2.2 2#试样和5#试样

在扫描电镜下对上述2#试样、5#试样进行晶界析出物观察， 得到了试样晶界析出物电镜扫描图，见图4。

图4 2#和5#试样晶界析出物电镜扫描图（10 000×）

对比图4a 和图4b 可以发现, 表面附着油脂的状态下，进行热处理后2#试样晶界上的析出物较进行脱脂处理后5#试样上晶界上的析出物多，说明材料表面的油脂会使试样在热处理时发生渗碳现象， 导致碳元素进入晶格内与合金中的铬元素聚集并在晶界上析出， 晶界上Cr23C6的析出导致晶内铬元素发生偏析， 从而极大影响材料的耐腐蚀性能，因此可以得出推论，这是表面涂油试样在热处理后的耐腐蚀速率急剧增大的原因［15］。

4 结束语

为优选应力热处理前母材表面处理方式，进行了N06625 镍基合金板材的去应力热处理试验、 腐蚀速率测定试验以及金相组织和成分分析研究。 结果表明，材料表面有油污，热处理后其耐腐蚀性能会大幅下降。原因是，材料表面的油污会被加热燃烧， 分解出的碳及碳化物通过表面渗碳作用，使晶界上析出了Cr23C6。 针对这种情况，可以在热处理前采取适当的去除油污措施， 只要将表面油污去除干净， 就可以达到热处理后其耐腐蚀性能轻微下降， 但仍可满足材料腐蚀性能使用要求的目的。