CN112710529B - 同时用于服役后hr3c析出物观察和ebsd表征的试样的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同时用于服役后HR3C析出物观察和EBSD表征的试样的制备方法，包括如下步骤：将试样块做为阳极连接电源的正极，将另一金属块作为阴极连接至所述电源的负极进行电解抛光；所述试样块和另一金属块浸没在抛光液中，所述试样块的材质为服役后的HR3C；电解抛光结束后，将试样块取出清洗和热风干燥；干燥时，热风吹的方向相对于所述试样块始终朝向同一方向；所述抛光液包含高氯酸、浓盐酸和乙醇，所述抛光液中各组分的体积比为高氯酸、浓盐酸和乙醇=7：3：90。本发明的同时用于服役后HR3C析出物观察和EBSD表征的试样的制备方法，解决了HR3C耐热钢老化后需要同时表征其析出相和位错界面结构的多次制样问题，一次制样用于不同实验表征，提升分析效率。

Description

同时用于服役后HR3C析出物观察和EBSD表征的试样的制备 方法

技术领域

本发明属于金属材料的理化检验技术领域，具体涉及一种超超临界机组用耐热钢HR3C服役以后析出物观察和EBSD表征的试样的制备方法。

背景技术

随着经济技术的发展，当今世界对能源节约和环境保护提出了越来越高的要求。虽然我国在大力发展水电、风电和核电等清洁型能源，但是由于我国的能源资源以煤炭为主，在未来相当长的一段时间内，我国电力的主要来源将仍然是火力发电机组。大量研究表明，随着火力发电机组蒸汽温度和蒸汽压力的提高，机组效率均可以得到提高，但是这对机组材料的要求越来越高。

HR3C耐热钢是随着超超临界技术发展而产生的一种新型奥氏体耐热钢，HR3C耐热钢中加入了大量的合金元素如Nb、N等强化元素因而有着较高的高温持久强度和抗腐蚀性能等优异特性，在服役过程中材料内部析出细小的弥散分布的第二相及稳定的板条位错结构等强化效应使得材料在持续高温条件下拥有稳定的力学性能，因而被广泛应用于超超临界机组的主蒸汽管道等关键位置。

初始态的HR3C耐热钢中含有少量的M₂₃C₆相，随着服役时间的增加，其晶粒内部和晶界上会析出大量的M₂₃C₆相、MX相等第二相，且随着服役时间的增加其尺寸会发现显著变化，影响着HR3C耐热钢的服役性能。此外，作为HR3C耐热钢中最重要微观组织结构的马氏体板条等位错界面结构，在长时服役过程中会随着服役时间的变化，其板条宽度和形貌等特征结构也会发生显著变化，进而引起HR3C钢高温条件下的力学性能变化，影响机组的服役安全。

自2016年华能玉环电厂的国内第一台超超临界机组投产以来，HR3C钢的服役时长已经超过10万小时，需要对其安全服役进行系统性评价，因此研究HR3C耐热钢在高温高压条件下HR3C耐热钢的微观组织变化与相应力学性能变化的意义重大，而研究过程中最重要的途径即研究服役过程中第二相析出的变化和板条等位错结构的变化。

研究HR3C耐热钢的析出相表征和EBSD（电子背散射衍射，ElectronBackscattered Diffraction）表征一般都是独立开展，步骤较繁琐。在HR3C耐热钢的析出相表征实验过程中，采用砂纸打磨抛光后再用苦味酸/盐酸/酒精构成的Vilella试剂（参见：杨旭，高铬马氏体耐热钢组织老化、性能退化及剩余寿命评估；朱鹏程，铁素体-马氏体钢HR3C的力学行为及微观组织研究）；或，三氯化铁盐酸酒精溶液（参见：曹建，超超临界机组用T/HR3C异种钢焊接接头结构与性能的研究；陈福霞，9Cr铁素体/马氏体耐热钢的组织演化和强度退化研究；石如星，HR3C钢中Laves相强化作用的研究）；或，硝酸酒精溶液（参见：胡苏阳，HR3C钢微观结构与高温蠕变分析）等腐蚀液腐蚀后进行第二相表征。而对于EBSD观察的样品来说，常用的样品制备方法为砂纸抛光后再选用振动抛光（参见：赵燕青，一种Cr-Mo钢EBSD样品的制样方法；邓善权，大应变范围内冷轧和摩擦变形纯铜的微观结构与力学性能）或者高氯酸酒精溶液下进行电解抛光（参见：严鹏，新型马氏体耐热钢G115的组织与性能研究；李慧，Ni-Cr-Fe合金中晶界偏聚与晶界析出的研究；）后再进行EBSD观察，表征HR3C耐热钢在高温老化过程中的位错界面结构及取向信息的变化。目前只能通过上述不同的抛光腐蚀方法分别观察样品中的析出相演化和位错界面结构变化，实验步骤繁琐，效率低下。

发明内容

有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种同时用于服役后HR3C析出物观察和EBSD表征的试样的制备方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：

一种同时用于服役后HR3C析出物观察和EBSD表征的试样的制备方法，包括如下步骤：

将试样块做为阳极连接电源的正极，将另一金属块作为阴极连接至所述电源的负极进行电解抛光；所述试样块和另一金属块浸没在抛光液中，所述试样块的材质为服役后的HR3C；

电解抛光结束后，将试样块取出清洗和热风干燥；干燥时，热风吹的方向相对于所述试样块始终朝向同一方向；

所述抛光液包含化学纯的高氯酸、浓盐酸和乙醇，所述抛光液中各组分的优选体积比为：高氯酸、浓盐酸和乙醇=7：3：90。

常用的抛光液为高氯酸与乙醇的按照一定的比例混合而成，但是这种在室温下由于腐蚀液的速度难以控制，且需要加入液氮作为冷却液以延缓腐蚀速率。本发明通过高氯酸、浓盐酸和乙醇的混合液混合后一方面可以避免腐蚀速率难以控制的问题，另方面还可以避免高氯酸-酒精抛光液在抛光过程中析出相掉落的问题，造成材料表征过程中的信息不足。

根据本发明的一些优选实施方面，所述电解抛光的参数为：电压为恒压，电流为0.9-1.2A，抛光时间为15-20s。在此范围外的条件会导致抛光结果很差，或者达不到抛光效果。

根据本发明的一些优选实施方面，所述电解抛光时采用直流稳压电源。

根据本发明的一些优选实施方面，所述金属块的材质为不锈钢。其他材料如铁素体钢等，会造成材料表面有腐蚀坑，而选用其他的如镍板会造成抛光表面。

根据本发明的一些优选实施方面，所述金属块的尺寸与所述试样块的尺寸相同。

根据本发明的一些优选实施方面，在进行所述电解抛光前，对所述试样块进行打磨，具体步骤如下：依次采用800目、1200目和2000目砂纸进行打磨，相邻两个目数的砂纸的打磨方向交叉设置。每次打磨时均朝向同一方向进行打磨；相邻两次的打磨的方向交叉。

根据本发明的一些优选实施方面，相邻两个目数的砂纸的打磨方向垂直。

根据本发明的一些优选实施方面，所述电解抛光时，所述试样块与金属块平行设置，且所述试样块的打磨面朝向所述金属块，使金属块和试样块之间的电子运动路径最短，抛光效果最佳。

根据本发明的一些优选实施方面，所述清洗时，依次采用自来水、去离子水和乙醇进行清洗，乙醇清洗之后，所述试样块的表面具有残留的乙醇。如果试样块的表面没有残留的乙醇，刚抛光完试样块的表面容易粘到空气中的灰尘，导致样品表面效果污染。而有乙醇的条件下，一方面可以避免刚抛光万样品表面的空气中悬浮灰尘的污染，另一方面可以将样品表面的刚处于悬浮状态的表面金属冻结。

根据本发明的一些优选实施方面，所述热风干燥时，采用热风将试样块表面的乙醇往同一个方向吹并干燥。

由于采用了以上的技术方案，相较于现有技术，本发明的有益之处在于：本发明的同时用于服役后HR3C析出物观察和EBSD表征的试样的制备方法，解决了HR3C耐热钢老化后需要同时表征其析出相和位错界面结构的多次制样问题，一次制样用于不同实验的表征，提升分析效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中制备得到的试样放大500X后的SEM表征照片；

图2为本发明实施例中制备得到的试样放大5000X后的SEM表征照片；

图3为本发明实施例中制备得到的试样放大15000X后的SEM表征照片；

图4为本发明实施例中制备得到的试样的EBSD取向重构图；

图5为本发明实施例中制备得到的试样的EBSD大角晶界、小角晶界重构图。

图6为采用高氯酸乙醇溶液进行电解抛光后得到的试样表面的SEM表征照片。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本实施例的同时用于服役后HR3C析出物观察和EBSD表征的试样的制备方法，具体包括如下步骤：

1）制备试样块

将服役后的HR3C以电火花线切割工艺切成10mm×10mm×5mm尺寸的试样块。

2）打磨

将试样块10mm×10mm的一面依次在800目、1200目和2000目的砂纸上加水打磨，打磨时以完全消去上次砂纸的打磨痕迹为准。

例如：将试样在800目的砂纸按一个方向打磨，在样品表面仅留下一个方向的划痕；接着用1200目的砂纸打磨，打磨方向与800目砂纸划痕方向成90°角，当800目砂纸打磨痕迹完全不可见后再采用2000目砂纸打磨，2000目砂纸的打磨方向与1200目砂纸的打磨方向垂直，直到1200目砂纸的打磨痕迹不可见，打磨结束。

3）电解抛光

将打磨后的试样块作为阳极，用金属镊子夹住，连接至直流稳压电源的正极；将不锈钢板作为阴极连接至直流稳压电源的负极，试样块和不锈钢板浸没在抛光液中，进行电解抛光。不锈钢板的尺寸与试样块的尺寸相同。试样块与不锈钢板平行设置，且试样块的打磨面朝向不锈钢板。

本实施例中采用的抛光液为10%的高氯酸-盐酸-乙醇溶液，即100mL的抛光液中含有高氯酸7mL、浓盐酸3mL和乙醇90mL。

电解抛光采用直流稳压电源，电解参数为：电压恒压20V，抛光时间约为18s，抛光过程中注意观察直流电源电流数值，保持在0.9-1.2A之间。

4）清洗

待抛光时间满足要求后迅速将试样块从抛光液中取出，首先采用流动的自来水对试样块表面残留的抛光液进行冲洗，待自来水冲洗5s后改用去离子水冲洗试样块的表面，最后再用分析纯乙醇冲洗试样块表面，并在试样块表面保留一层残留的乙醇。

5）干燥

将清洗后的试样块用吹风机以热风（温度为60℃左右）进行干燥，注意在吹干的过程中将试样块表面残留的乙醇往一个方向吹，切忌使乙醇在样品表面来回滚动。干燥之后得到的试样块即为本实施例中制备得到的能够同时用于服役后HR3C析出物观察和EBSD表征的试样。

将如上制备得到的试样进行SEM观察与EBSD表征：

SEM观察：将试样置于扫描电子显微镜下进行析出相观察，即可清晰的看到服役后HR3C钢晶粒内部和晶界上各类型的析出相；选用背散射电子观察时可以简单的分辨出服役后HR3C耐热钢中的碳化物（图中灰色颗粒）和Laves相（图中白色颗粒），如附图的SEM照片（图1-3）所示。

EBSD表征：将试样放在EBSD观察台上，即可进行EBSD观察，得到的结果如EBSD图片（图4和图5）所示。

HR3C耐热钢在高温高压的服役条件下拥有高强度等特性的关键在于其内部的析出相强化和马氏体板条等位错界面强化作用所致。但是对于服役后HR3C耐热钢的析出相SEM观察试验和EBSD表征试验的制样过程必须分步进行：对于析出相的SEM观察试验一般采用样品打磨抛光后再用Vilella试剂、硝酸酒精溶液或者三氯化铁盐酸酒精溶液进行腐蚀，来观察析出相的析出情况，但是这类腐蚀液在腐蚀基体露出析出相的同时会在基体表面产生大量的腐蚀坑，使得在观察析出相的时候造成干扰，并且降低样品在EBSD表征过程中的标定率，影响表征效果；而对样品EBSD表征的制样时常用砂纸打磨后选用震动抛光或者高氯酸酒精溶液进行电解抛光，但是通过这两种方法制备的样品析出相绝大部分被样品表面所覆盖，制备的样品在SEM中不容易观察到析出相的各种形貌和分布等信息。如图6所示，图6为采用高氯酸乙醇溶液进行电解抛光后得到的试样表面的SEM表征照片，图中的细小白点即为污染点，说明采用高氯酸酒精溶液进行电解抛光容易造成表面污染。

为快速获得长时服役后HR3C耐热钢的析出相和位错界面等特征信息，本发明通过表征方面和腐蚀溶液的配方，得到适合该状态下的抛光液配比和电解抛光过程的参数控制，利用本发明的制样方法可一次性制备既适用于析出相SEM观察又适用于位错界面结构EBSD表征的长时服役后HR3C耐热钢样品，在SEM条件下可以清楚显示服役后HR3C耐热钢的M23C6相、Laves相等析出相形貌、分布等特征形态，同时在EBSD条件下观察到大角晶界、小角晶界等典型位错界面结构特征。

本发明抛光液配方容易操作和控制、配置简单，解决HR3C耐热钢老化后需要同时表征其析出相和位错界面结构的多次制样问题，一次制样用于不同实验的表征，提升分析效率。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种同时用于服役后HR3C析出物观察和EBSD表征的试样的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

将试样块做为阳极连接至电源的正极，将另一金属块作为阴极连接至所述电源的负极进行电解抛光；所述试样块和金属块浸没在抛光液中，所述试样块的材质为服役后的HR3C；

电解抛光结束后，将试样块取出清洗和热风干燥；干燥时，热风吹的方向相对于所述试样块始终朝向同一方向；

所述抛光液包含高氯酸、浓盐酸和乙醇，所述抛光液中各组分的体积比为：高氯酸、浓盐酸和乙醇=7：3：90；所述电解抛光的参数为：电压为恒压，电流为0.9-1.2A，抛光时间为15-20s。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述电解抛光时采用直流稳压电源。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属块的材质为不锈钢。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述金属块的尺寸与所述试样块的尺寸相同。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在进行所述电解抛光前，对所述试样块进行打磨，具体步骤如下：依次采用800目、1200目和2000目砂纸进行打磨，相邻两个目数的砂纸的打磨方向交叉设置。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，相邻两个目数的砂纸的打磨方向垂直。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述电解抛光时，所述试样块与金属块平行设置，且所述试样块的打磨面朝向所述金属块。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述清洗时，依次采用自来水、去离子水和乙醇进行清洗，乙醇清洗之后，所述试样块的表面具有残留的乙醇。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述热风干燥时，采用热风将试样块表面的乙醇往同一个方向吹并干燥。

Images