金属学报 2014 , 50 (3): 323-328 https://doi.org/10.3724/SP.J.1037.2013.00383

Inconel 625熔敷金属中δ相的形核与粗化机理^*

邸新杰¹^,²^,, 邢希学¹^,², 王宝森³

1 天津大学天津市现代连接技术重点实验室, 天津 300072
2 天津大学材料科学与工程学院,天津300072
3 宝山钢铁股份有限公司宝钢研究院, 上海 201900

NUCLEATION AND COARSENING MECHANISM OF δ PHASE IN INCONEL 625 DEPOSITED METAL

DI Xinjie¹^,²^,, XING Xixue¹^,², WANG Baosen³

1 Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology, Tianjin University, Tianjin 300072
2 School of Materials Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072
3 Baosteel Research Institute, Baoshan Iron & Steel Co., Ltd., Shanghai 201900

中图分类号: TG401

通讯作者: Correspondent: DI Xinjie, associate professor, Tel: (022)27405889, E-mail: dixinjie@tju.edu.cn

收稿日期: 2013-07-8

修回日期: 2013-08-9

网络出版日期: --

基金资助: *天津市自然科学基金项目 11JCYBJC06000 和天津市科技支撑重点项目 11ZCGYSF00100资助

作者简介:

邸新杰, 男, 1973年生, 副教授, 博士

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摘要

利用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)研究了Inconel 625熔敷金属中δ相的形成机理, 并揭示了焊后热处理(PWHT)过程中δ相粗化的内在规律. 结果表明, 经850 ℃焊后热处理的Inconel 625熔敷金属中大量析出的针条状δ相呈网格状分布在基体γ相中, 且其附近出现了贫γ"相区域. δ相的形成是一个类贝氏体转变的固态相变过程, 其晶核是在γ"相密排面的层错上通过切变方式形成的. 同时, δ相的粗化行为是扩散控制的长大过程. 保温时间较短时, 实际δ相颗粒的平均尺寸符合LSW理论, 随着保温时间的延长, δ相的高密度、不同向析出特征使得其实际尺寸偏离了经典LSW理论的预测值.

关键词： Inconel 625熔敷金属 ; 焊后热处理 ; δ相 ; 形核 ; 粗化

Abstract

Using Inconel 625 wire to weld high yield strength steels or stainless steels that commonly used in nuclear power plant components and gas turbines can significantly improve high temperature mechanical properties and corrosion resistance of weld structure. However, toughness, fatigue strength and creep rupture strength of weld would decline obviously because of the precipitation of δ phase during service at elevated temperatures for a long time. This work aims to investigate nucleation mechanism of δ phase in Inconel 625 deposited metal by means of SEM and TEM. Meanwhile, coarsening inherent law of δ phase during post-weld heat treatment (PWHT) at 850 ℃ for 2, 4 and 8 h respectively was revealed. The results indicate that a large number of needle-like δ phase precipitates in Inconel 625 deposited metal after PWHT at 850 ℃. These δ phases appear a grid-like distribution in γ-matrix, and there are some poor γ" phase regions appearing near δ phase. Formation process of δ phase is a solid phase transformation process which is like bainite transformation in steels. Crystal nucleus of δ phase form in the close-packed plane of γ" phase by shear mode, and coarsening behavior of δ phase is a diffusion-controlled growth process. When PWHT holding time is shorter, actual average size of δ phase is in line with LSW theory. With PWHT holding time extending, its actual average size deviates from the predicted value of classical LSW theory, because of the high-density and non-directional precipitation characteristics of δ phase.

Keywords： Inconel 625 deposited metal ; post-weld heat treatment ; δ phase ; nucleation ; coarsening

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邸新杰, 邢希学, 王宝森. Inconel 625熔敷金属中δ相的形核与粗化机理^*[J]. , 2014, 50(3): 323-328 https://doi.org/10.3724/SP.J.1037.2013.00383

DI Xinjie, XING Xixue, WANG Baosen. NUCLEATION AND COARSENING MECHANISM OF δ PHASE IN INCONEL 625 DEPOSITED METAL[J]. 金属学报, 2014, 50(3): 323-328 https://doi.org/10.3724/SP.J.1037.2013.00383

Inconel 625合金是一种加入Mo, Nb, Ti, Si, Fe, Al等元素形成弥散γ'相 [Ni₃(Al, Ti, Nb)] 或亚稳定γ"相(Ni₃Nb)增强的镍、铬基固溶体 ^[1-4]. 由于该合金在中、高温(600~900 ℃)环境中工作时仍具有较高的力学性能和良好的耐蚀性及抗氧化性, 被广泛应用于航天航空、燃气轮机和核电设备的热端部件及一些其它特殊工业领域, 例如复合材料模具和低温液体处理^[5-8]. 因此, Inconel 625焊丝不但被用于焊接镍基合金本身, 而且常用于低合金高强钢或不锈钢等金属材料的连接, 可以显著提高焊件的高温力学性能和耐蚀性能^[9,10]. 然而, 当焊件在中、高温环境中长期工作时, 焊缝组织中金属间化合物δ相(Ni₃Nb)的析出, 使焊缝的疲劳强度、蠕变强度等一系列力学性能迅速下降, 进而导致焊接结构的失效^[11-13]. 因此, 控制镍基合金焊缝组织中δ相的析出就显得极为必要.

目前, 针对δ相的研究已经取得一定的进展. Sundararaman 等^[14] 将Inconel 625合金在750 ℃下保温100 h后, 发现其组织中有少量的δ相析出, 而在700 ℃下进行类似的热处理时, 则没有观察到δ相的析出. 当时效温度升高到800 ℃时, 该合金组织中析出了大量的δ相. Huang和Langdon^[15] 及Zhang等^[16] 研究发现, Inconel 718合金在等温压缩变形过程中, 其组织中的平板状δ相会发生溶解和断裂, 结果导致平板状δ相发生球化, 并转变成球状δ相颗粒. δ相一直被认为是镍基高温合金中的一种有害相, 但近期研究^[17,18] 发现, δ相可以有效的阻止晶界滑移, 并可以控制晶粒尺寸.

本课题组研究发现, 与一般供货状态Inconel 625合金的组织结构不同, 焊态Inconel 625熔敷金属的显微组织由大小不均匀的柱状Ni-Cr奥氏体和少量的块状MC型碳化物(M为Nb和Ti)、颗粒状Laves相及弥散分布的γ'相组成. 将焊态Inconel 625熔敷金属在850 ℃进行焊后热处理(PWHT)时, 其微观组织中析出了大量的γ"相和δ相. 当熔敷金属中含有大量的δ相时, 其疲劳强度、蠕变强度及韧性将明显下降, 这和文献[11]~[13]的研究结果一致. 然而, 已有的报道中并未对熔敷金属中δ相的形成机理及其粗化规律进行系统、深入的研究.

在之前研究的基础上, 本工作借助扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM), 进一步研究了Inconel 625熔敷金属中δ相的形态、结构及其分布特点, 并对其形成机理进行了深入探讨. 同时, 揭示了在850 ℃不同PWHT保温时间后δ相粗化的内在规律.

1 实验方法

利用钨极氩弧焊(GTAW)的方法将Inconel 625焊丝堆焊在Q235B钢板上. 熔敷金属的化学成分(质量分数, %)为: C 0.01, Mn 0.09, Si 0.08, Cr 22.66, Mo 8.71, Nb 3.53, Fe 0.32, Cu 0.01, Al 0.14, Ti 0.21, Ni 余量. 焊接时采用的工艺参数为: 焊接电流(110±5) A, 焊接电压(13±0.5) V, 焊接速度(25±1) mm/min, 层间温度(100±5) ℃, 焊丝直径2.5 mm. 焊接完成后, 沿焊接方向将熔敷金属等分为4组(图1), 第I组用于焊态组织观察, 第II, III, IV组分别用于在850 ℃保温2, 4和8 h的PWHT. 切取焊态及PWHT后的熔敷金属试样, 经过镶嵌、磨制、抛光和腐蚀制成相应的金相试样. 借助JEOL JSM-6360LV型SEM 观察熔敷金属的微观组织结构, 并采用PHILIPS CM200 型TEM 对熔敷金属中的析出相进行结构观察及选区电子衍射(SAED)分析.

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图1

Fig.1 堆焊试件示意图

2 实验结果及分析

2.1 熔敷金属中的δ相

图2为焊态及PWHT后Inconel 625熔敷金属微观组织的SEM像. 由图2可见, 焊态Inconel 625熔敷金属中只有少量的MC型碳化物和Laves相析出. 而经850 ℃PWHT的熔敷金属中, 除MC型碳化物和Laves相外, 还析出了大量的针条状二次相, 该析出相呈网格状分布在熔敷金属组织的晶粒内部. 在TEM下对其进一步观察, 结果如图3所示. 由图3a可见, 熔敷金属中的针条状二次相主要有3个不同的取向, 且其附近出现了贫γ"相区域. 放大后观察可知, 该析出相的精细亚结构主要为层错(图3b). 图3c为图3b中针条状二次相的SAED谱. 对其衍射斑点进行标定可知, 该析出相是具有斜方晶体结构的δ相, 其晶格常数分别为a=0.51 nm, b=0.43 nm, c=0.46 nm. 此外, 由图3c还可以判断出δ相和基体γ相之间存在以下的位向关系: ${(110)}_{δ} / / {(220)}_{γ}$ ; ${[1 \bar{1} 1]}_{δ} / / {[004]}_{γ}$ , 即δ相和基体γ相共格. 能谱分析结果(图3d)显示, δ相中富含Ni和Nb, 且Ni∶Nb≈3∶1, 因此和γ"相一样, δ相的化学式可以表示为Ni₃Nb.

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图2

Fig.2 Inconel 625熔敷金属组织的SEM像

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图3

Fig.3 Inconel 625熔敷金属中δ相的TEM像、 SAED谱及EDS

2.2 δ相的形核

对δ相的形成过程进行深入分析, 结果如图4所示. 由图可见, 在PWHT过程中, 随着热处理温度的升高, 合金元素的扩散速度及其在基体中的溶解度都不断增加, 导致熔敷金属中的Laves相不断溶解, 同时释放出了大量的Nb原子. 而γ"相的析出温度范围是678~936 ℃ ^[6], 因此首先在熔敷金属中析出了大量的γ"相. 随着热处理过程的进行, 熔敷金属中的γ"相与基体γ相失去共格, 并从基体中析出. 因此, 在γ"/γ界面处产生了较大的晶格畸变, 导致在γ"相的密排面上出现错排, 从而产生层错(图4a). 熔敷金属中γ"相密排面原子层的堆垛顺序为: …A1B1C1 A2B2C2 A1B1C1…, 当有一条不完全位错滑过B2面时, 产生新的原子堆垛顺序: …A1B1C1 A2C1A2C2 A1B1C1…, 形成的新的层错为3个连续的CACA堆垛型结构, 这正好是δ相的晶体结构特征^[19,20], 即δ相在γ"相密排面的层错上通过切变的方式形核(图4b).

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图4

Fig.4 Inconel 625熔敷金属中δ相的形成过程及其SAED谱

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图5

Fig.5 Inconel 625熔敷金属在850 ℃保温不同时间后δ相的TEM像

完成形核的δ相沿着阻力最小的方向(γ"相的3个不同的密排方向)不断长大, 这使得长大后的δ相有且仅有3个不同的取向. 在δ相生长的过程中将与其它γ"相相交, 从而使得γ"相中产生新的层错. δ相会在这些新产生的层错处进一步形核使得熔敷金属中δ相的含量不断增加(图4c). 图4d 为图4c中δ相的SAED谱. 对其衍射斑点进行标定可知, δ相和γ"相之间存在以下的位向关系: ${(020)}_{δ} / / {(010)}_{γ^{″}}$ , ${[20 \bar{4}]}_{δ} / / {[003]}_{γ^{″}}$ .

2.3 δ相的粗化

图5为Inconel 625熔敷金属在850 ℃分别保温2, 4和8 h后其组织中δ相的TEM像. 由图5可以看出, 随着保温时间的延长, 熔敷金属中δ相的平均尺寸不断增大, 其含量也不断增加. 表1为实验中测得的熔敷金属中δ相的平均尺寸(平均长度 $\bar{l}$ 和平均宽度 $\bar{w}$ ), 对其分析可知, δ相的平均长度 $\bar{l}$ 和平均宽度 $\bar{w}$ 都与t^1/3成线性关系(图6), 符合LSW理论 ^[21,22], 即:

(1) ${\bar{d}}^{3} - {\bar{d}}_{0}^{3} = k t$

式中, ${\bar{d}}^{}$ 为时效后析出相颗粒的平均直径, nm; ${\bar{d}}_{0}^{}$ 为t=t₀时析出相颗粒的平均直径, nm; k为析出相的长大速率, $n m^{3} / h$ ; t为保温时间, h.

将表1中的实验数据代入式(1), 得到δ相平均长度 $\bar{l}$ 和平均宽度 $\bar{w}$ 的长大速率分别为1.06×10⁹ $n m^{3} / h$ 和2.04×10⁵ $n m^{3} / h$ , 其长度方向的长大比宽度方向更为显著. 由图6还可以看出, 在热处理保温时间为8 h时, 实际δ相的平均长度 $\bar{l}$ 的值比计算值略小, 而其实际平均宽度 $\bar{w}$ 的值比计算值略大.

表1 不同保温时间下δ相的平均尺寸

Table 1 The average sizes of δ phase at different holding times

Holding time / h	$\bar{l}$ / nm	$\bar{w}$ / nm
2	913	57
4	1423	84
8	1894	136

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图6

Fig.6 在850 ℃下δ相的平均尺寸与热处理保温时间的关系

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图7

Fig.7 在850 ℃下焊后热处理保温时间对δ相K值的影响

图7为δ相平均长度 $\bar{l}$ 与平均宽度 $\bar{w}$ 的比值K随PWHT保温时间的变化规律. 由图7可见, 随着保温时间的延长, K值不断增大但其增大速度不断降低. 研究^[23,24] 表明, 与基体γ相共格析出的δ相的最终形状不仅取决于最小界面能判据, 还要满足最小弹性能准则, 即:

(2) $K = \frac{γ_{L}}{γ_{W}} + \frac{π A t}{12 γ_{W}}$

式中, γ_L和γ_W分别为δ相纵向和横向与基体γ相之间的界面能, $k J / m o l$ ; A是与错配度有关的参量. 由式(2)可知, 当δ相尺寸很小, 即A→0时, K值趋向于纵向和横向两界面能之比; 随着δ相的长大, 其弹性应变能不断增加, 当δ相粗化长大到一定程度时, K值大小主要取决于δ相的弹性应变能, 从而导致K值不断增大; 当δ相与基体γ相之间失去共格后, K值的增大速度降低. 这与图7所示的实际测得的K值随保温时间增加快速增大而后趋于平缓的变化规律相一致.

3 分析讨论

由以上分析可知, Inconels 625熔敷金属中δ相的析出是一个固态相变的过程. δ相在γ"相密排面的层错上的形核是通过切变的方式进行的, 同时在δ相的长大过程中伴随着Nb原子的扩散 ^[6,20], 因此δ相是γ"相通过类贝氏体转变方式形成的. 由于δ相是在γ"相密排面的层错上形核的, 且δ相晶核的长大也将沿着阻力最小的方向(γ"相的密排方向)进行, 因此长大后的δ相有且只有3个不同的取向, 其周围出现了贫γ"相区域(图3a和图5).

随着保温时间的延长, 熔敷金属中的δ相不断长大, 当不同取向的δ相相互连接时, δ相的长大受到抑制, 随着δ相尺寸的增大和含量的增加, 这种抑制效果更加显著, 使得实际δ相颗粒的平均尺寸偏离了经典LSW理论的预测值. 此外, Burke和Miller ^[25]研究发现, δ相与基体γ相的高错配度产生的较大应变能增加了δ相偏聚长大的驱动力, 而且δ相的高密度析出特征也增加了δ相之间的偏聚长大的可能性. 显然, 这种偏聚长大也是导致实际δ相颗粒的平均尺寸与经典LSW理论的预测值不一致的原因之一.

4 结论

(1) 经850 ℃ PWHT的熔敷金属中析出了大量的针条状δ相, 这些不同取向的δ相呈网格状分布在基体γ相中, 且其附近出现了贫γ"相区域.

(2) δ相的形成是一个类贝氏体转变的固态相变过程. δ相在γ"相密排面的层错上通过切变方式形核, 且晶核沿着γ"相的密排方向不断长大.

(3) δ相的粗化行为是扩散控制的生长过程. 保温时间较短时, δ相的平均尺寸符合LSW理论, 随着保温时间的延长, δ相的高密度、不同向析出特征使得其实际尺寸偏离了LSW理论的预测值.

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NUCLEATION AND COARSENING MECHANISM OF δ PHASE IN INCONEL 625 DEPOSITED METAL

1 实验方法

2 实验结果及分析

2.1 熔敷金属中的δ相

2.2 δ相的形核

2.3 δ相的粗化

3 分析讨论

参考文献 文献选项 原文顺序 文献年度倒序 文中引用次数倒序 被引期刊影响因子

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