激光近凈成形Inconel 718高溫合金的力學性能與耐腐蝕性能

宰雄飛，陳仕奇，吳宏，任俊業(yè)，劉詠，蘭小東，李清湘，周少強，劉銀

?

激光近凈成形Inconel 718高溫合金的力學性能與耐腐蝕性能

宰雄飛1，陳仕奇1，吳宏1，任俊業(yè)1，劉詠1，蘭小東1，李清湘2，周少強2，劉銀2

(1. 中南大學粉末冶金國家重點實驗室，長沙 410083；2. 深圳中金嶺南科技有限公司，深圳 518122)

以氣霧化Inconel 718高溫合金粉末為原料，采用激光近凈成形增材制造技術制備用于酸性油田密封件與管道的Inconel 718合金，然后采用2種不同工藝進行熱處理。通過掃描電鏡與透射電鏡觀察、拉伸試驗以及電化學腐蝕試驗，對該合金的組織、力學性能和耐腐蝕性能進行分析和研究。結果表明：激光成形沉積態(tài)Inconel 718合金的主要缺陷為空心顆粒和氧化物顆粒，合金具有優(yōu)異的抗腐蝕性能，但力學性能較差，抗拉強度為866.9 MPa。經(jīng)過熱處理后，由于γ″和γ′復合強化相的析出，合金的抗拉強度明顯提高，伸長率降低。其中經(jīng)均勻化+固溶+雙時效處理的合金具有更優(yōu)異的力學性能，抗拉強度達1211.9 MPa，滿足油田密封件管道的性能要求，且腐蝕性能優(yōu)于目前用于酸性油田的軋制態(tài)Inconel 718高溫合金。

激光近凈成形；Inconel 718；力學性能；微觀組織；抗腐蝕性能

激光近凈成形技術是通過計算機控制激光束和同軸送粉器的移動軌跡，在底板上逐層沉積疊加制備零部件，是金屬增材制造的重要技術手段。激光近凈成形可制備復雜形狀零部件，且具有從設計到生產(chǎn)周期短、材料利用率高等優(yōu)點。激光束掃描后熔池快速冷卻(冷卻速率為103~104K/s)，成形樣品具有細小的枝狀晶且可消除合金成分宏觀偏析，具有獨特的組織與性能[1?5]。Inconel 718合金是一種時效強化的鎳基高溫合金，高溫下具有良好的力學性能和抗氧化性能，廣泛應用于發(fā)動機渦輪盤和航空緊固件等[6?8]。同時Inconel 718高溫合金還具有優(yōu)異的抗腐蝕性能。近年來隨全球能源危機的加劇，油氣開采逐漸向深海、深層、酸性油氣儲層發(fā)展，為滿足嚴酷的開采環(huán)境的要求，住友公司和NKK公司均將Inconel 718作為H2S酸性油氣井開采的選用材料。Inconel 718高溫合金經(jīng)固溶處理后，具有優(yōu)良的抗腐蝕性能，但其力學性能較差，無法滿足油田使用條件。因此，目前用于酸性油田條件下的Inconel 718密封件和管道是將軋制后的合金進行固溶+時效處理[9]。近年來，激光近凈成形技術被廣泛應用于制備和修復Inconel 718零部件，本文擬采用激光近凈成形技術制備Inconel 718高溫合金，然后采用2種不同的工藝進行熱處理，研究熱處理工藝對材料微觀組織、力學性能和酸性條件下耐腐蝕性能的影響，研究結果對于激光近凈成形Inconel 718高溫合金在酸性油氣田的密封件與管道的應用中具有一定的指導與參考價值。

1 實驗

1.1 Inconel 718合金制備及熱處理

實驗所用原料為中南大學粉末冶金研究院制備的氣霧化Inconel 718高溫合金粉末，粉末粒徑為45~150 μm，化學成分列于表1，粉末形貌如圖1所示。所用激光近凈成形設備由CO2激光器，計算機數(shù)控平臺和送粉系統(tǒng)組成，激光成形工藝參數(shù)列于表2。采用氮氣作為保護氣氛，底板為45鋼板。制備的Inconel 718合金試樣尺寸為30 mm×30 mm×60 mm，如圖2所示。

表1 氣霧化Inconel 718粉末的化學成分

表2 激光快速成形工藝

圖1 氣霧化Inconel 718合金粉末的SEM形貌

圖2 激光近凈成形Inconel 718合金樣品

分別采用2種工業(yè)標準熱處理工藝對激光成形樣品進行熱處理：1) 均勻化(1 080 ℃/1.5 h/空冷)+固溶(980 ℃/1 h/空冷)+雙時效(720 ℃/1 h/爐冷，620 ℃/1 h/爐冷)；2) 固溶(980 ℃/1 h/空冷)+雙時效(720 ℃/1 h/爐冷，620 ℃/1 h/空冷)。在電化學腐蝕試驗中，采用油田中使用的經(jīng)固溶+時效熱處理的軋制Inconel 718樣品作為對比試驗，該對比樣品由中南大學劉峰老師提供。

1.2 性能測試

將激光成形Inconel 718合金樣品進行預磨、拋光后，采用阿基米德排水法測定密度。將沉積態(tài)及熱處理后的合金預磨和拋光后進行腐蝕，腐蝕液組成為：5 g CuSO4+100 mL HCl+100 mL H2O，然后用德國Leica DM 400M型金相顯微鏡和Nova Nano SEM 230場發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察其顯微組織。利用日本電子JEM-2100F透射電鏡觀察析出相的形貌。根據(jù)國家標準GB/T228—2002，將合金樣品線切割為啞鈴狀平板拉伸試樣，試樣總長和標距分別為26和8 mm，利用美國的INSTRON 3369型電子萬能材料試驗機進行拉伸試驗，并采用掃描電鏡觀察斷口形貌。電化學腐蝕試驗采用上海CHI600D工作站，飽和甘汞電極為參比電極，鉑電極為輔助電極，合金電極為工作電極，腐蝕液為pH=3的K2SO4酸性溶液，掃描速率為0.5 mV/s。

2 結果與分析

2.1 樣品缺陷

經(jīng)測定，激光成形Inconel 718合金的致密度為98.67%。圖3所示為沉積態(tài)樣品的微觀形貌。樣品中的孔隙主要為氣霧化Inconel 718粉末顆粒內部的孔隙(如圖3(b)所示)與顆粒間的孔隙。在熔池的快速冷卻過程中，空心顆粒中的氣體與顆粒間的氣體來不及溢出熔池，從而造成樣品中的微小孔隙[10]。西北工業(yè)大學分別采用旋轉電極制備的無空心顆粒的Inconel 718粉末和氣霧化Inconel 718粉末為原料，以相同的激光成形工藝制備Inconel 718合金，以旋轉電極粉末為原料制備的合金樣品具有更高的致密度，力學性能更優(yōu)異[3]。

圖3(c)所示為激光成形合金樣品拋光后的SEM形貌，圖3(d)所示為沉積態(tài)樣品的拉伸斷口SEM形貌，從圖3(c)和(d)都觀察到合金中存在球狀顆粒，能譜分析結果(圖3(e))表明顆粒的氧含量很高，主要為金屬氧化物。這是由于當激光束掃描后，氧元素在熔池表面富集[11]。激光對熔池有一定的能量沖擊，表面富氧的熔液濺射冷凝形成氧化物顆粒。這些氧化物顆粒與基體材料間的潤濕性較差，不能形成有效的冶金結合，成為裂紋源，導致材料的力學性能降低。

圖3 Inconel 718合金粉末及其激光成形合金中的缺陷

2.2 力學性能

表3所列為鑄態(tài)Inconel 718合金[12]與激光成形Inconel 718合金及其熱處理后的室溫拉伸性能[12]。激光成形沉積態(tài)合金的抗拉強度、屈服強度和伸長率均優(yōu)于鑄態(tài)Inconel 718合金。經(jīng)過熱處理后，合金的抗拉強度和屈服強度都明顯提高，伸長率下降。其中經(jīng)均勻化+固溶+雙時效熱處理后的合金，其抗拉強度和屈服強度都最高，比熱處理前分別提高約40%和88%，伸長率高于直接固溶+雙時效處理的樣品。

表3 Inconel 718合金的室溫拉伸性能

圖4所示為激光成形Inconel 718合金及其熱處理后的拉伸斷口SEM形貌。沉積態(tài)及熱處理后的合金拉伸斷口均存在孔隙與微裂紋?？紫兜拇嬖谑怯捎诩す獬尚螛悠凡恢旅?，微裂紋則是在合金殘余應力與拉伸力的共同作用下形成的。所有樣品的拉伸斷口均存在明顯的韌窩，均為韌性沿晶斷裂。

2.3 顯微結構與組織

圖5所示為激光成形Inconel 718合金及其熱處理后的金相組織。可見沉積態(tài)合金由細小的枝狀晶組成，經(jīng)過固溶+時效熱處理后合金組織無變化，未發(fā)生再結晶。而采用均勻化+固溶+時效工藝熱處理后發(fā)生明顯的再結晶，是由于均勻化溫度(1 080 ℃)較高，高溫及材料內部的殘余應力為再結晶提供了驅動力。經(jīng)過熱處理后，影響材料力學性能的孔隙及顆粒狀氧化物等缺陷并未得到改善。

圖6所示為激光成形Inconel 718合金及其熱處理后的SEM組織。對沉積態(tài)合金(圖6(a))中的白色相進行能譜分析，結果如圖6(f)所示，Nb元素在此富集，可判斷白色相為Laves相。鑄造Inconel 718高溫合金通常存在Nb元素的宏觀偏析，由圖6(a)可知，激光成形Inconel 718樣品中富Nb的Laves相均勻分布，不存在宏觀偏析，且樣品微觀組織為細小的枝狀晶，因此，其力學性能優(yōu)于鑄造的Inconel 718合金。Inconel 718是一種時效強化合金，Nb元素是其主要強化相γ″(Ni3Nb)的構成元素，而Laves相中含有約10%的強化相形成元素Nb[13?14]。采用2種不同的工藝熱處理后，Inconel 718合金中的部分Laves相固溶于基體，并析出強化相γ″和γ′的復合相。均勻化+固溶+時效熱處理及固溶+時效熱處理后樣品中的γ″和γ′的復合相在透射電鏡下的形貌分別如圖6(d)和(e)所示。細小的橢圓形片狀析出相能起到釘扎位錯的作用，阻礙位錯的移動，從而提高材料的抗拉強度[15]。由圖6(b)和(c)可知經(jīng)固溶+雙時效處理的合金，其組織中仍有部分Laves相，但趨于球化；相比之下，經(jīng)過均勻化+固溶+雙時效處理后，Laves相基本消失，因此有更多的Nb元素固溶于基體而析出更多γ″強化相，所以力學性能更加優(yōu)異。

圖4 Inconel 718合金的拉伸斷口SEM形貌

圖5 Inconel 718合金的金相組織

圖6 激光成形Inconel 718合金的相組成

2.4 抗腐蝕性能

圖7所示為目前用于油氣田的軋制Inconel 718合金與激光成形Inconel 718合金及其熱處理后在酸性條件下的塔菲爾曲線，根據(jù)塔菲爾曲線擬合得到電極自腐蝕電流密度corr和腐蝕電位corr如表4所列。腐蝕速率與自腐蝕電流密度呈正比，與腐蝕電位呈反 比[16]。根據(jù)圖7與表4可知，沉積態(tài)的Inconel 718合金存在明顯的鈍化現(xiàn)象，且具有最大的腐蝕電位與最小的自腐蝕電流密度，具有優(yōu)異的抗腐蝕性能；經(jīng)過熱處理后的Inconel 718合金比軋制態(tài)合金具有更正的腐蝕電位和更小的自腐蝕電流密度，其抗腐蝕性能明顯優(yōu)于目前用于油氣中管道的軋制Inconel 718合金。

圖7 Inconel 718合金在酸性腐蝕液中的Tafel極化曲線

Inconel 718高溫合金經(jīng)過時效處理后，析出強化相γ″ 和γ′復合相。在腐蝕過程中，由于強化相與基體之間的電位不同，以基體為陽極，析出相為陰極，形成許多腐蝕微電池，加速腐蝕過程。只經(jīng)過固溶處理的合金和沉積態(tài)合金，其基體中的第二相很少，腐蝕微電池較少，因此合金的抗腐蝕性能優(yōu)異，但力學性能較差，無法滿足工業(yè)應用需求。經(jīng)雙時效處理的激光近凈成形合金抗腐蝕性能較沉積態(tài)有所下降，但優(yōu)于現(xiàn)在石油工業(yè)中選用的Inconel 718合金，且其力學性能滿足工業(yè)需求。

表4 Inconel 718合金的自腐蝕電流密度與腐蝕電位

3 結論

1) 激光近凈成形法制備的Inconel 718合金中存在的主要缺陷為孔隙與球形氧化物顆粒，熱處理后缺陷未得到改善。

2) 激光近凈成形Inconel 718合金抗拉強度為866.9 MPa，伸長率為30%。經(jīng)均勻化+固溶+時效熱處理后，抗拉強度提高到1 211.9 MPa，但伸長率下降至6%。

3) 激光近凈成形Inconel 718合金顯微組織為細小枝狀晶，Laves相均勻分布均勻。經(jīng)固溶+時效熱處理后的合金，Laves相部分固溶于基體，并析出γ″和γ′復合相。經(jīng)均勻化+固溶+時效熱處理的Inconel 718合金中Laves相完全溶解，析出更多的γ″和γ′復合相，并發(fā)生再結晶。

4)激光近凈成形Inconel 718合金經(jīng)時效熱處理后，在酸性環(huán)境下的抗腐蝕性能優(yōu)于現(xiàn)石油工業(yè)中使用的軋制態(tài)Inconel 718合金，且力學性能滿足使用 要求。

[1] ZHANG Kai, LIU Weijun, SHANG Xiaofeng. Research on the processing experiments of laser metal deposition shaping[J]. Optics & Laser Technology, 2007, 39(3): 549?557.

[2] ZHONG Minlin, LIU Wenjin, NING Guoqing, et al. Laser direct manufacturing of tungsten nickel collimation component[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2004, 147(2): 167? 173.

[3] LIU Fencheng, LIN Xin, YANG Gaolin, et al. Microstructure and residual stress of laser rapid formed Inconel 718 nickel-base superalloy[J]. Optics Laser Technology, 2011, 43(1): 208?213.

[4] LI Yanmin, YANG Haiou, LIN Xin, et al. The influences of processing parameters on forming characterizations during laser rapid forming[J]. Materials Science and Engineering A, 2003, 360(1): 18?25.

[5] SCHWENDNER K I, BANERJEE R, COLLINS P C, et al. Direct laser deposition of alloys from elemental powder blends[J]. Scripta Materialia, 2001, 45(10): 1123?1129.

[6] 王寶順, 羅坤杰, 張麥倉, 等. 油井管用鎳基耐蝕合金的研究與發(fā)展[J]. 世界鋼鐵, 2009, 9(5): 42?49. WANG Baoshun, LUO Kunjie, ZHANG Maicang, et al. Research and development of Nickel-based corrosion resistance alloy for oil country tubular goods[J]. World Iron & Steel, 2009, 9(5): 42?49

[7] AMATO K N, GAYTAN S M, MURR L E. Microstructures and mechanical behavior of inconel 718 fabricated by selective laser melting[J]. Acta Materialia, 2012, 60(5): 2229?2239.

[8] HONG J K, PARK J H, PARK N K. Microstructures and mechanical properties of inconel 718 welds by CO2laser welding[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2008, 201(1/3): 515?520.

[9] 宋宜四, 高萬夫, 王超, 等. 熱處理工藝對Inconel 718合金組織、力學性能及耐蝕性能的影響[J]. 材料工程, 2012(6): 37?42. SONG Yisi, GAO Wanfu, WANG Chao, et al. Effect of heat treatment technology on microstructure, mechanical property and corrosion resistance of Nickle-base alloy Inconel 718[J]. Materials Engineering, 2012(6): 37?42.

[10] LIU Fencheng, LIN Xin, HUANG Chunping, et al. The effect of laser scanning path on microstructures and mechanical properties of laser solid formed nickel-base superalloy inconel 718[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2011, 509(13): 4505?4509.

[11] 李瑞迪. 金屬粉末選擇性激光熔化成形的關鍵基礎問題研究[D]. 武漢: 華中科技大學, 2010. LI Ruidi. Research on the key basic issues in selective laser melting of metallic powder[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2010.

[12] FRAZIER W E. Metal additive manufacturing: A review[J]. Journal of Materials Engineering and Performance, 2014, 23(6): 1917?1928.

[13] ZHANG Dongyun, NIU Wen, CAO Xuanyang, et al. Effect of standard heat treatment on the microstructure and mechanical properties of selective laser melting manufactured Inconel 718 superalloy[J]. Materials Science and Engineering A, 2015, 644(17): 32?40.

[14] 魯世強, 黃伯云, 賀躍輝. Laves相合金的力學性能[J]. 材料工程, 2003(5): 43?47. LU Shiqiang, HUANG Boyun, HE Yuehui. Mechanical properties of Laves phase alloys[J]. Journal of Materials Engineering, 2003(5): 43?47.

[15] ZHAO Xiaoming, CHEN Jing, LIN Xin. Study on the microstructure and mechanical properties of laser rapid forming Inconel 718[J]. Materials Science and Engineering A, 2008, 478(1/2): 119?124.

[16] JAMESH M I, WU G, ZHAO Y, et al. Electrochemical corrosion behavior of biodegradable Mg-Y-RE and Mg-Zn-Zr alloys in Ringer’s solution and simulated body fluid[J]. Corrosion Science, 2015(91): 160?184.

(編輯 湯金芝)

Mechanical properties and corrosion resistance of laser rapid forming Inconel 718 superalloy

ZAI Xiongfei1, CHEN Shiqi1, WU Hong1, REN Junye1, LIU Yong1, LAN Xiaodong1, LI Qingxiang2, ZHOU Shaoqiang2, LIU Yin2

(1. State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China;2. Shenzhen Nonfemet Technology Co., Ltd, Shenzhen 518122, China)

The Inconel 718 superalloy can be used in acid oil field as sealing element and pipeline. In this paper, the Inconel 718 superalloy was fabricated with gas atomization Inconel 718 powders by laser rapid forming. The effects of two different heat treatments on the microstructure, mechanical properties and corrosion resistance were studied by SEM, TEM, tensile test and electrochemical corrosion test. The results show that the hollow particles and spherical oxidate particles in the samples are the main defects. And as-deposited Inconel 718 samples have excellent corrosion resistance but poor tensile strength (866.9 MPa) than samples with heat treatment. After heat treatments, the tensile strength increases but the elongation decreases due to the precipitation of γ″ and γ′ composite phase. The laser rapid forming samples with homogenization+soluation+aging heat treatment have the best tensile strength (1211.9 MPa) and better corrosion resistance than as-rolled Inconel 718 alloy and can meet with the properties offered by oil field sealing pipeline.

laser rapid forming; Inconel 718; mechanical properties; microstructure; corrosion resistance

TG146.1

A

1673-0224(2017)05-680-07

國家重點研發(fā)計劃資助項目(2016YFB1100103)；湖南省重點研發(fā)計劃資助項目(2016JC2003)；中南大學創(chuàng)新驅動計劃資助項目(2016CX003)；長沙市科技計劃重大專項(K1502003-11，K1404001-11，K1306003-11)

2017?01?13；

2017?05?23

吳宏，副教授，博士。電話：0731-88877669；E-mail: wuhong927@126.com