激光熔凝渗氮对Inconel合金管组织和性能的影响
上海叶钢金属集团有限公司仓库一角摘要
为提高Inconel合金管表面的耐蚀性和耐磨性，对合金管表面进行了激光熔凝渗氮处理，对处理后试样的微观组织、相组成、显微硬度及耐蚀性能进行了测试与分析，研究结果表明，激光氮化层主要由CrN、γ相等物相组成，氮化层具有较高冶金质量且无裂纹、气孔等缺陷，组织分布均匀、晶粒细小，显微硬度最高达到Hv。经过激光熔凝渗氮处理后，合金管对C1~表现出较好的腐蚀抗性，但对OH一的耐蚀性能轻微降低。
1、引言
20世纪50年代中期，世界上第一座商业核电站建成。在服役环境中。特定的结构和介质条件造成压水反应堆蒸汽发生器（SG）传热管容易发生应力腐蚀开裂、疲劳断裂和微动磨损，从而影响核电站的正常运行。用于SG传热管的材料主要包括、奥氏体不锈钢、InconelMA、InconelTT、IncoloyMod和Inconel。Inconel是米国学者研发的奥氏体型镍基超合金，被认为是目前最好的SG传热管材料。
Inconel合金的主要成分为62Ni-28Cr-10Fe（62%、28%、10%分别指对应组分所占的质量分数），由于铬的含量高，该合金在酸性溶液中有较好的耐蚀性，是核电站压水反应堆SG传热管的理想材料。但是当溶液的温度和浓度较高时，Inconel合金耐蚀性会变差。流致振动容易造成传热管与支撑板之间的微动磨损，也在一定程度上影响着Inconel合金的使用寿命。
为了提高Inconel合金耐蚀性和耐磨性，有学者进行了表面处理方法的研究。对Incone1、Inconel和Inconel进行了表面激光熔凝处理，处理后的合金得到具有较高点蚀抗性的熔凝层。何欢等研究了等离子体渗氮对Inconel合金的影响，发现合适的渗氮技术可以得到具有较高点蚀抗性的硬度层。有关研究认为，合金中适量的N元素(质量分数约0．2)可以细化晶粒，但又不危及晶界贫Cr。研究了氮化物对Inconei合金点蚀和应力腐蚀行为的影响。本文主要研究了激光熔凝渗氮技术对Inconel合金耐腐性的影响。
2、试验材料和方法
2.1试样制备
试验材料采用直径为19.05mm、壁厚为1.09mm的合金管，其主要化学成分见表1。
采用W的CO板条激光器及六轴联动机床进行激光熔凝渗氮。调整激光工作头与合金管之间的距离，获得直径为1mm的光斑；选择激光扫描速度为
mm／min，熔凝层搭接率为50%；在激光扫描的同时对熔凝区域持续吹入高纯氮气，送气速度为20L／min；在传热管内部通人压缩空气进行冷却，防止传热管过热。熔凝渗氮试样分别采用功率为，，W的激光束进行处理，并将处理后的传热管通过线切割获得相应大小的样品，以便进行微观组织及相关性能测试分析。
2.2腐蚀性能测试
将线切割得到的尺寸为5mm×5mm×1．09mm的Inconel合金圆弧片用导电胶与铜导线连接，然后用环氧树脂封装，露出激光熔凝渗氮面，用砂纸逐级打磨，最后将样品浸泡在丙酮中用超声波清洗，除去样品表面杂质，用去离子水清洗并吹干。在核电SG运行过程中，冷凝器泄漏、磷酸盐溶液处理等容易使某些有害杂质进入二回路，造成SG传热管的应力腐蚀破裂。因此，电化学溶液分别采用1mol／L的NaCl溶液和质量分数为1的NaOH溶液，溶液由分析纯试剂和去离子水配制。
电化学测量仪器为电化学工作站，工作电极为样品、辅助电极为铂丝、参比电极为饱和甘汞电极(SCE)，测试温度为室温。测试前，试样均经过一极化处理以除去表面的氧化膜，自腐蚀电压一时间曲线稳定后开始电化学测量。将工作电极在试验溶液中静置一段时间至电压稳定后，以0.mV／min的动电位极化扫描速率进行室温下的极化曲线测量。试验后，通过电化学测试仪器自带分析软件获得试样的自腐蚀电压和自腐蚀电流。
2.3硬度测试
使用显微硬度计(HV型，北京沃威科技有限公司，中国)对试样进行显微硬度测试，载荷为5Og，加载时间为10S，沿垂直于试样表面方向测试激光氮化层的显微硬度，测试问距为50m，每个测量区重复测量5次。
2.4组织形貌观察
将切割后的试样用砂纸逐级打磨，用金刚石抛光膏抛光，用CuCI(2g)+HCI(40mL)十乙醇(60mL)配成的腐蚀液腐蚀3min，用扫描电镜观察形貌。采用x射线衍射仪分析试样物相组成。
3、试验结果与分析
3.1激光熔凝渗氮层组织分析
图1(a)～(c)所示为不同功率激光熔凝渗氮处理后熔凝渗氮层的截面形貌。可以看出，经过激光熔凝渗氮处理后，得到了冶金质量优良的熔凝渗氮层，没有裂纹、气孔等缺陷，其厚度随激光功率的增加而增加。图1(d)～(f)分别为对应熔凝渗氮层在扫描电镜(SEM)下的微观组织形貌，可以看到，随着激光功率的增加；熔凝渗氮层的微观组织更加细化。这是由于在激光快速加热和冷却的作用下，熔池的冷却速度较快且温度梯度较高，因此形成很大的过冷度，同时；熔池的对流也会增加形核率；从而使得熔凝表层形成枝晶细小的组织形貌。
熔凝渗氮合金管的横截面SEM像和氮化层能谱仪（EDS）图如图2所示，其中A表示晶界，B表示晶体内部。A和B的EDS检测结果见表2、3。晶界处N元素的含量高于晶体内部的，表明熔凝渗氮处理促使N元素在晶界聚集，使得CrN相析出和C元素在晶界的偏聚减少，降低了碳化物析出的可能性，改善了晶界贫Cr。由图2（b）可见，经激光熔凝渗氮处理后，氮化层的Cr元素分布比较均匀。
图3所示为W激光渗氮处理后Inconel合金管与原始试样的X射线衍射（XRD）图谱，其中2θ为衍射角。由图可见，经过激光熔凝渗氮处理后，Inconel合金管的熔凝渗氮层析出CrN相。由γ相的峰强变化可知，（）晶面的衍射峰的强度显著增强，（）晶面上形成了织构。立方点阵晶系金属的优先生长方向是（）晶向族。这是因为在这组晶向上原子排列最少，且原子间隙大，所以晶核易于长大，进而相对抑制了（）晶面的生长。
3.2电化学腐蚀性能
设B=I.m/S，其中S为样品表面积。图4所示为原始Inconel合金管试样和不同激光功率下激光熔凝渗氮处理后的Inconel合金管在1molNaCl溶液中的极化曲线，由图可知，所有原始试样的自腐蚀电压相差不大，而经过激光熔凝渗氮处理后的Inconel合金管表现出较低的自腐蚀电流密度，并且随着激光功率的增大而降低。原始试样和处理后的Inconel合金管均能在NaCl溶液中发生钝化现象。
当激光功率为W时，处理后样品的自腐蚀电流在钝化区间内仍缓慢增加，其原因是自腐蚀电流较小，发生钝化时的维钝电流密度也较小，而钝化膜是由样品表面腐蚀产物形成的，腐蚀速率小则产生的钝化膜薄，少量腐蚀液能缓慢透过钝化膜到达金属表面继续引发腐蚀；当激光功率为W时，处理后样品的点蚀电压降低，这是由于随着电压的升高薄钝化膜被击穿。随着激光功率的增加，样品的钝化电流逐渐降低，钝化倾向增大，与图4测试结果一致。综上可知，经过激光熔凝渗氮处理后，Inconel合金管在NaCl溶液中的电化学耐腐蚀性能增强。从图2EDS成分分析及图3XRD图谱可知，Inconel合金管进行激光熔凝渗氮处理后，表面的微观组织结构表现出较好的一致性，晶粒细化，微观组织的变化增强了Inconel合金管在NaCl溶液中的耐蚀性能。
图5所示为激光熔凝渗氮处理后的样品和Inconel合金管原始试样在质量分数为1%的NaOH中的电化学腐蚀极化曲线。分析曲线可知∶原始试样和处理后试样均在NaOH溶液中发生了钝化，处理后样品的钝化电流略低于未处理样品的，W激光熔凝渗氮处理后的试样钝化电流最小；4种样品的自腐蚀电压和自腐蚀电流差别不大，且钝化区间、点蚀电压相近。处理后试样的腐蚀速率略大于未处理的，主要原因是激光熔凝渗氮处理降低了基体中Ni的含量，进而增加了碱性溶液中Inconel合金对应力腐蚀的敏感性。
3.3硬度
图6所示为不同功率激光熔凝渗氮处理后试样的硬度分布曲线。由图可见，经过激光熔凝渗氮处理后，合金管表面的硬度明显提高，最高达到HV；随着激光功率的增大，熔凝渗氮层厚度增大，硬度也随之增加，随着渗氮层深度的增加，渗氮量的逐渐减少导致硬度逐渐降低。激光的快速加热和冷却过程以及短暂的高温停留时间促使渗氮层形成，同时CrN相的析出也提高了熔凝渗氮层的硬度。在相同的渗氮量和大气压下，激光功率作为渗氮的驱动力，其数值越高渗氮层的硬度也越高，但是功率过高会影响合金管的热处理状态。另外合金管的硬度太高也会影响韧性。
4、结论
对Inconel合金管表面进行了激光熔凝渗氮处理，得到的熔凝渗氮层具有较高冶金质量且无裂纹、气孔等缺陷;利用金相显微镜、SEM等方法检测、分析，得到以下结论∶
1）在NaCl溶液中。激光熔凝渗氮处理后Inconel合金管的电化学耐蚀性能明显提高。在一定范围内，随着激光功率的增大，其耐蚀性增强，激光功率为W时合金管在NaCl溶液中的自腐蚀电流最小，耐蚀性最好。
2）在NaOH溶液中，Inconel合金管的自腐蚀电压和自腐蚀电流差别不大，样品的钝化区间、点蚀电压相近，处理后合金管的钝化电流较未处理的略微降低，且功率为W时的试样钝化电流最小。经过激光熔凝渗氮处理的合金管腐蚀速率略大于未处理的。
3）激光熔凝渗氮处理后的合金管表面硬度有所提高，最高达到HV，耐磨性得到提高。在一定范围内，随着激光功率的增大，熔凝渗氮层厚度增大、硬度升高。
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