CN112222187A - 高冲击韧性镍基合金复合材料的制备方法 - Google Patents

高冲击韧性镍基合金复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高冲击韧性镍基合金复合材料的制备方法，控制包括轧制压缩比、轧制速度、轧制温度在内的轧制工艺参数，通过轧制过程中形变与相变的交互作用，降低高温阶段扩散至镍基合金侧的碳原子浓度，抑制晶界处含Cr碳化物的形成，诱导包含Mo、Nb在内的合金元素从晶界向晶内移动，避免合金元素在晶界处的偏聚，从而改善热轧复合后合金元素在镍基合金覆层材料中的分布、提升镍基合金复合板耐晶界腐蚀的能力，最终避免热轧后增加固溶处理工序对基材冲击韧性的影响。

Description

高冲击韧性镍基合金复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于金属材料领域，具体涉及一种高冲击韧性镍基合金复合材料的制备方法。
背景技术
异质金属层状复合材料是兼具基材及覆层材料性能及成本优势的新型层状复合材料，广泛应用于能源、交通、海洋以及航空航天领域。随着清洁能源天然气的应用领域拓展，具有耐H2S、CO2等复杂介质腐蚀能力的镍基合金/碳钢复合材料的需求量不断扩大。
在镍基合金复合板的制备过程中，基材碳钢中的C原子通过晶界扩散进入覆层材料镍基合金。因此，一般观点认为，扩散进入镍基合金中的碳原子在晶界处形成含Cr碳化物，导致晶界附近区域贫Cr，是造成镍基合金复合板晶界腐蚀的关键原因。
为提高复合板的耐腐蚀性能，传统制备工艺需要在复合轧制工序后增加固溶处理工序，以改善覆层材料镍基合金中合金元素的分布，提高复合板的耐蚀性。固溶处理的温度区间一般为1150℃-1200℃。在这一温度下，基材的奥氏体晶粒会非正常长大，导致冲击韧性恶化，难以满足镍基合金复合材料的应用需求。因此，耐蚀性与冲击韧性的矛盾始终是镍基合金复合材料制备过程中所面临的关键难题。
为解决上述问题，目前的研究主要集中于：通过基材成分设计，改善复合材料的耐蚀性以及机械性能。在此领域，国内外均已形成大量专利。上述研究的思路可以归结为如下两个方面：一是通过降低基材中的碳含量，减少覆层材料耐蚀合金晶界处含Cr碳化物的析出，进而降低固溶处理温度或取消固溶处理，以改善基材的机械性能。但是，过渡降低碳含量会导致复合材料在后续焊接过程中，在热影响区产生脆裂，影响材料的使用性能。二是在基材中适度添加Ti、Nb等合金元素，利用合金碳化物对基材晶界的钉扎作用，抑制固溶处理过程中基材奥氏体晶粒的过渡长大。
上述成分设计的思路可以在一定程度上改善耐蚀性与冲击韧性的矛盾，但是工艺方法复杂，不仅需要从冶炼工序开始进行成分调整和控制，而且，多数产品还必须经过固溶处理，使复合材料的制备成本大幅增加。
发明内容
本发明的目的是提供一种高冲击韧性镍基合金复合材料的制备方法，本方法能同时抑制晶界含Cr碳化物的形成和Mo、Nb等合金元素在晶界的偏聚，提高了镍基合金复合材料的耐蚀性，避免轧后增加固溶处理工序对镍基合金复合材料冲击韧性的影响。
本发明所采用的技术方案是：
一种高冲击韧性镍基合金复合材料的制备方法，控制包括轧制压缩比、轧制速度、轧制温度在内的轧制工艺参数，通过轧制过程中形变与相变的交互作用，降低高温阶段扩散至镍基合金侧的碳原子浓度，抑制晶界处含Cr碳化物的形成，诱导包含Mo、Nb在内的合金元素从晶界向晶内移动，避免合金元素在晶界处的偏聚，从而改善热轧复合后合金元素在镍基合金覆层材料中的分布、提升镍基合金复合板耐晶界腐蚀的能力，最终避免热轧后增加固溶处理工序对基材冲击韧性的影响。
进一步地，通过控制轧制压缩比和轧制速度，降低高温阶段由碳钢侧扩散至镍基合金侧的C原子的浓度，抑制晶界处含Cr碳化物的形成。
进一步地，控制轧制压缩比时，轧程总压缩比不低于80％，900℃以上温度的压缩比占总压缩比的70％-95％。
进一步地，控制轧制速度时，最低轧制速度不低于50m/min。
进一步地，通过控制轧制工艺参诱导包含Mo、Nb在内的合金元素从晶界向晶内移动的方法是，在镍基合金再结晶温度以下温度进行5％-30％的轧制变形，在镍基合金晶粒内形成高密度位错及位错中心低能位，诱导包含Mo、Nb在内的合金元素从晶界向晶内移动。
进一步地，基材为碳钢。
进一步地，覆材包括Inconel625合金、Inconel825合金。
本发明的有益效果是：
本方法能同时抑制晶界含Cr碳化物的形成和Mo、Nb等合金元素在晶界的偏聚，提高了镍基合金复合材料的耐蚀性，避免轧后增加固溶处理工序对镍基合金复合材料冲击韧性的影响。
附图说明
图1是不同终轧温度时晶界析出的碳化物的对比图。
图2是改善合金元素晶界偏聚后直接轧制的腐蚀速率与固溶处理的对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
高冲击韧性镍基合金复合材料的制备方法针对造成镍基合金复合材料耐蚀性降低的两个关键要素：镍基合金晶界含Cr碳化物的析出以及Mo、Nb等合金元素在晶界的偏聚，通过制备过程中的关键工艺参数控制，抑制热轧后复合材料的晶界腐蚀，取消热轧后的固溶处理工序，提高复合材料的冲击韧性。
高冲击韧性镍基合金复合材料的制备方法包含两个核心、关键工序：
关键工序1：利用轧制压缩比控制，降低镍基合金复合板敏化温度区间的上限温度，抑制晶界含Cr碳化物的形成。
由于镍基合金的敏化温度区间一般为550℃-1000℃，因此，理论上看需要在1000℃以上温度开始进行快速冷却，以抑制碳化物的析出。这也是大部分镍基合金复合板需要在复合轧制之后进行固溶处理的原因。由于镍基合金晶界析出碳化物中的C原子主要来自有碳钢侧，因此，本方法采用控制轧制延展率以及轧制速度的方法，降低轧制过程中C原子在镍基合金中的浓度，进而降低镍基合金复合板的敏化温度区间的上限温度，使部分复合板不需要进行固溶处理就可以避免由于晶界碳化物析出所导致的晶界腐蚀。以625合金/X70复合板为例，当复合板的总压缩比≥80％时，轧制速度不低于50m/min时，终轧温度可以降低至800℃，即可抑制镍基合金含Cr碳化物的晶界析出，如图1所示。
关键工序2：利用位错在晶粒内形成低能位，抑制合金元素在晶界的偏聚。
镍基合金在奥氏体区再结晶过程中，由于溶质原子的拖拽效应，会导致溶质原子Mo、Nb等合金元素在晶界处偏聚，晶界处的过钝化区的电极电位降低，耐蚀性下降，这是导致镍基合金复合板热轧复合后需要进行固溶处理的又一关键原因。为解决合金元素Mo、Nb等在耐蚀合金晶界处偏聚所导致的晶界腐蚀问题，本方法采用增大位错密度，在晶粒内形成低能位的方法，抑制Mo、Nb等合金元素在晶界处的偏聚。具体工艺方法为：在镍基合金再结晶温度以下的温度区间，进行5％-30％的轧制变形，在晶粒内引入一定数量的位错，抑制合金元素在晶界的偏聚。
通过上述镍基合金复合板敏化上限温度调控以及晶粒内合金元素溶解度调控，可以抑制含Cr碳化物的晶界析出，以及Mo、Nb等合金元素在晶界的偏聚，改善轧制复合后镍基合金复合板的耐晶界腐蚀性能，无需增加固溶处理，充分改善镍基合金复合板的机械性能。
实例1：625合金/X70管线钢制备，包括步骤：
(1)复合板制坯，加热至1150℃-1250℃开始轧制；
(2)热轧复合轧制，且轧程总压缩比不低于80％，轧制速度不低于50m/min；
(3)在总压缩比中，900℃以上温度的压缩比为总压缩比的70％-95％；
(4)在800℃至900℃的温度区间进行不少以1道次的轧制，且在这一温度区间的轧制压缩比为总压缩比的5％-30％范围，以在晶粒内引入一定数量的位错；
(5)将终轧温度控制在800℃至900℃之间；
(6)以10℃/s的冷却速率水冷至500℃；
(7)从500℃开始空冷至室温；
(8)采用Huey试验测试复合板耐晶界腐蚀性能，与经固溶处理后的试样相当，如图2所示。
在本实施例中，基材为碳钢，当然也可以采用其它类型的钢材；覆材采用Inconel625合金，当然也可以采用其它类型的镍基合金，如Inconel825合金等。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种高冲击韧性镍基合金复合材料的制备方法，其特征在于：控制包括轧制压缩比、轧制速度、轧制温度在内的轧制工艺参数，通过轧制过程中形变与相变的交互作用，降低高温阶段扩散至镍基合金侧的碳原子浓度，抑制晶界处含Cr碳化物的形成，诱导包含Mo、Nb在内的合金元素从晶界向晶内移动，避免合金元素在晶界处的偏聚，从而改善热轧复合后合金元素在镍基合金覆层材料中的分布、提升镍基合金复合板耐晶界腐蚀的能力，最终避免热轧后增加固溶处理工序对基材冲击韧性的影响。
2.如权利要求1所述的高冲击韧性镍基合金复合材料的制备方法，其特征在于：通过控制轧制压缩比和轧制速度，降低高温阶段由碳钢侧扩散至镍基合金侧的C原子的浓度，抑制晶界处含Cr碳化物的形成。
3.如权利要求2所述的高冲击韧性镍基合金复合材料的制备方法，其特征在于：控制轧制压缩比时，轧程总压缩比不低于80％，900℃以上温度的压缩比占总压缩比的70％-95％。
4.如权利要求2所述的高冲击韧性镍基合金复合材料的制备方法，其特征在于：控制轧制速度时，最低轧制速度不低于50m/min。
5.如权利要求1所述的高冲击韧性镍基合金复合材料的制备方法，其特征在于：通过控制轧制工艺参诱导包含Mo、Nb在内的合金元素从晶界向晶内移动的方法是，在镍基合金再结晶温度以下温度进行5％-30％的轧制变形，在镍基合金晶粒内形成高密度位错及位错中心低能位，诱导包含Mo、Nb在内的合金元素从晶界向晶内移动。
6.如权利要求1至5任一所述的高冲击韧性镍基合金复合材料的制备方法，其特征在于：基材为碳钢。
7.如权利要求1至5任一所述的高冲击韧性镍基合金复合材料的制备方法，其特征在于：覆材包括Inconel625合金、Inconel825合金。
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