熱處理對鎳基合金G3耐蝕性能的影響

摘 要：鎳基耐蝕合金是以鎳為基體，能在一些介質中耐腐蝕的合金，稱為鎳基耐蝕合金。此外，含鎳大于30%，且含鎳加鐵大于50%的耐蝕合金，習慣上稱為鐵-鎳基耐蝕合金（見不銹耐酸鋼），文章重點就熱處理對鎳基合金G3耐蝕性能的影響進行闡述和分析。

關鍵詞：熱處理;鎳基合金G3;耐蝕性能

鎳基耐蝕合金多具有奧氏體組織，在固溶和時效處理狀態下，合金的奧氏體基體和晶界上還有金屬間相和金屬的碳氮化物存在。鎳基耐蝕合金在加熱過程中易與爐氣中的硫結合，形成低熔點的硫化鎳，在加工過程中發生龜裂，因此，加熱要用電爐，保護氣體加熱爐或用低硫燃料的加熱爐。這類合金通常都有比較好的冷加工性能。每次固溶或退火處理后，允許的冷加工變形量一般在20～80%之間。耐蝕合金的熱處理工藝都用固溶熱處理以求最大限度地固溶合金中的各種沉淀相，從而獲得良好的耐蝕性和力學性能。但是，由于晶粒度對合金耐晶間腐蝕和應力腐蝕很有影響，有些合金為了細化晶粒，又常采用比較低的固溶處理溫度。此外，對沉淀硬化耐蝕合金既要求耐蝕性又要求有高硬度，因而多采用在固溶后再進行一次或二次時效處理的工藝。

1.鎳基耐蝕合金分類及特性

耐蝕合金按成分分類及其特性如下，Ni-Cu合金：在還原性介質中耐蝕性優于鎳，而在氧化性介質中耐蝕性又優于銅，它在無氧和氧化劑的條件下，是耐高溫氟氣、氟化氫和氫氟酸的最好的材料（見金屬腐蝕）。Ni-Cr合金：主要在氧化性介質條件下使用。抗高溫氧化和含硫、釩等氣體的腐蝕，其耐蝕性隨鉻含量的增加而增強。這類合金也具有較好的耐氫氧化物（如NaOH、KOH）腐蝕和耐應力腐蝕的能力。Ni-Mo合金;主要在還原性介質腐蝕的條件下使用。它是耐鹽酸腐蝕的最好的一種合金，但在有氧和氧化劑存在時，耐蝕性會顯著下降。Ni-Cr-Mo（W）合金：兼有上述Ni-Cr合金、Ni-Mo合金的性能。主要在氧化-還原混合介質條件下使用。

2.熱處理對G3耐蝕性能試驗設計

G3鋼屬于一種新型的鎳基耐蝕合金，在進行油套管加工制造過程中，對其進行熱處理以提高強度，滿足井下使用環境對其強韌性及耐蝕性的要求。但是材料在煉制及熱處理過程中，當合金成分控制不合理或熱處理過程中溫度以及冷卻速度控制不當時，在奧氏體晶內或者晶界處會有大量碳化物等第二相析出，可不同程度地影響合金的耐蝕能力和材料的綜合性制。為了掌握鎳基合金在固溶時效處理時析出相的類型、狀態以及對材料抗腐蝕性的影響，本實驗對不同熱處理后組織的變化以及析出相對材料性能的影響進行研究，從而為G3鋼的冶煉以及熱處理工藝的制定提供依據。實驗用材料是國產商用的鎳基耐蝕合金G3，固溶和時效處理均在箱式電阻爐中進行，根據金屬手冊和Ni-Cr-Mo系合金相圖及大量摸索試驗，確定固溶溫度分別為1120，1150和1180℃。然后在不同溫度、相同處理時間下進行時效處理，觀察晶粒度及析出相隨溫度的變化情況。力學性能用UH-F500KNI萬能試驗機測試。微觀組織用JEM-2100分析型透射電鏡（TEM）觀察分析，電子槍加速電壓220 kV。腐蝕產物膜微觀形貌用JSM-58000型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察。高溫高壓靜態腐蝕試驗用34.4 MPa高溫高壓釜進行，試樣掛片采用線切割加工，試樣裝載在試樣架的圓盤上。試驗前先通入高純氮氣lOh以上除氧，然后裝上試樣并將高壓釜密封，繼續通入高純氮除氧，再通入H2S和CO2至所需分壓。升溫至所需溫度，試驗結束后將試樣表面用蒸餾水沖洗除去腐蝕介質。

3.熱處理對鎳基合金G3耐蝕性能的影響

3.1時效處理對合金微觀組織的影響

對經1150℃固溶處理的試樣進行時效處理，空冷，觀察時效處理溫度對析出相的影響規律。處理溫度分別為700和800℃，保溫50 h。700℃時效處理后微觀組織金相表明，晶界處析大大量的碳化物，析出相已經連接成網狀結構。晶內有大量粒狀的納米級的析出相，以及一些長條狀或片狀的析出相，這些相主要起到強化作用。透射電鏡衍射花樣標定結果表明，G3合金中晶界處析出相主要是M23C6相，品內析出的彌散細小的顆粒豐要是TiN或TiC以及σ相。時效處理溫度升高至800℃且經過相同時間處理，發現耐蝕合金的品界上的析出物也基本呈網狀分布且晶內析出大量的片狀、長條狀的析出相，數量隨溫度升高向增多，尺寸l-2μm。晶內也有非常細小的顆粒狀析出物。晶界析出相主要是M23C6相。說明時效溫度的升高加快了合金元素成分的擴散，導致析出物成形快且迅速增大。

3.2析出相對材料耐蝕性能的影響

鎳基耐蝕合金G3中加入了10多種合金元素，主要起固溶強化作用，但同時也會促進碳化物形成。這些碳化物則是時效過程中主要的析出相。對該G3鋼試樣進行高溫高壓腐蝕試驗（200℃，PH2S=2 MPa，PCO2=3 MPa，P總=25 MPa），且在溶液CL-高含量（250g/L）環境下進行。腐蝕試樣表面都有深灰色的腐蝕膜。有析出相和無析出相試樣在高溫高壓腐蝕試驗后表面腐蝕形貌比較可以發現，兩種試樣的腐蝕程度宵明顯區別。無析出相試樣表面可見小且淺的腐蝕坑，有析出相的試樣表面有明顯大的點蝕坑和沿晶界處的溝槽坑，點蝕沿著品界發展擴大且蝕坑較深。材料在熱處理過程中。由于C和Cr、Mo等合金元素擴散速率不同，碳向晶界的擴散速度大于鉻，因此在晶界處以及相鄰區域由于M23C6析出使得Cr含量大大降低，因而靠近晶粒邊界附近形成貧鉻區，并且當Cr、Mo含量低于抵抗腐蝕介質侵蝕所需的最低臨界值時，腐蝕就會發生。正是由于晶界貧鉻區造成該處電位下降，從而形成大陰極（基體）和小陽極的微電池反應，加速了局部腐蝕的發生。因此耐蝕合金晶間析出物的產生對其耐蝕性影響較大，極易在晶界處產生點蝕。析出物的存在增大了合金材料點蝕敏感性，點蝕程度加重。

4.結束語

G3合金的固溶處理溫度不宜超過1150℃，以避免合金晶粒過大而影響材料力學性能。碳化物的析出使得耐蝕合金極易在晶界處產生局部腐蝕（點蝕），從而降低了材料的耐蝕性能。因此，要嚴格控制熱處理溫度范圍，使碳化物不析出或少析出，防止因析出相造成的點蝕破壞。

參考文獻：

[1]陸原.幾種材料在模擬環境中的CO2腐蝕[J].腐蝕與防護，2013

[2]熊穎.CO2腐蝕的防護技術研究[J].全面腐蝕控制，2014