奥氏体不锈钢及镍基合金中晶界工程问题的研究

通过前期在304不锈钢和Ni基690合金中的晶界工程研究，已经获得了高比例的低ΣCSL晶界并使耐晶间腐蚀性能大幅提高，在此基础上进一步研究材料中的晶粒大小、碳化物析出情况以及织构状态对后续变形及退火过程中多重孪晶过程发展的影响。通过高温光学显微镜原位观察研究提高低ΣCSL晶界比例的机理问题。为完善制备低ΣCSL晶界比例高于70%的304不锈钢和Ni基690合金的加工工艺提供依据。研究不同类型晶界处碳化物析出及晶界附近铬元素贫化的差异，得出两侧晶粒存在特殊取向关系的CSL晶界处碳化物析出规律，为提高低ΣCSL晶界比例的工艺与TT特殊处理相衔接提供参考数据。对含有不同比例低ΣCSL晶界的304不锈钢和690合金进行腐蚀实验，研究晶界网络结构对晶间腐蚀及晶间应力腐蚀开裂扩展的影响，探明晶界特征分布与提高材料与晶界有关宏观性能之间的关系，为晶界工程技术在奥氏体不锈钢及镍基合金中的应用提供科学依据。

奥氏体不锈钢以及镍基耐蚀合金在服役过程中沿晶界的破坏是材料失效的重要形式，比如晶间腐蚀，晶间应力腐蚀开裂等。通过晶界工程技术能够大幅提高材料中具有特殊结构晶界的比例，并控制晶界网络的分布，从而提高材料与晶界有关的性能。本项目针对奥氏体304不锈钢和镍基690合金的晶界工程技术，研究了原始显微组织对晶界工程处理之后晶界网络的影响。得出了原始晶粒尺寸对GBE处理时晶界网络的演化有正反两方面的影响，需要根据不同的原始晶粒尺寸选择合适的GBE处理工艺。如果原始显微组织中有大量未溶解的碳化物，会降低最终得到的特殊晶界比例。这说明在晶界工程处理之前，材料最好处于固溶状态。在存在较为集中织构的原始显微组织中，通过合适的工艺也能实现晶界工程处理，并且处理后的显微组织中不再含有明显织构。通过原位表征高温退火过程中的显微组织变化，进一步明确了再结晶时发生的多重孪晶过程是提高Σ3n类型晶界比例的关键。研究得出了不同类型晶界处碳化物析出随时效热处理条件的变化。通过深蚀刻的办法得到了晶界碳化物的立体形貌，观察到孪晶的非共格界面（Σ3i）及Σ9晶界处的条状碳化物实质上是碳化物M23C6的二次枝晶。条状的碳化物二次枝晶可以向Σ3i界面附近两侧晶粒内部生长，但仅向Σ9晶界一侧附近的晶粒内部生长。通过高分辨透射电子显微镜的研究分析，得出碳化物在晶界处于高指数晶体学面的一侧晶粒内部析出，并与此侧晶粒具有共格取向关系，但是碳化物更容易向无共格取向关系一侧晶粒内部生长。碳化物与晶粒基体之间存在与碳化物和基体结构都不同的密排六方结构的过渡相。利用透射电镜中的能谱对敏化后的样品进行分析，得出共格Σ3晶界处的贫铬程度明显小于其它类型晶界。通过强氧化性介质中的晶间腐蚀实验，含高浓度氯离子溶液中的应力腐蚀开裂实验、以及在模拟压水堆型核电反应堆条件的高温高压水中的应力腐蚀开裂实验，得出了通过晶界工程处理后材料耐腐蚀性能明显提高的结果。通过对腐蚀样品截面的显微分析，明确了晶界工程处理后形成的“互有Σ3n 取向关系晶粒的团簇”内部相互连接的Σ3n类型三叉晶界网络组织能够抑制裂纹的扩展。根据本研究得出的研究结果，利用宝钢的生产设备，将晶界工程技术应用到实际尺寸的690合金管材样品上，耐腐蚀性能明显提高。本项目的研究结果为晶界工程技术在奥氏体不锈钢及镍基合金中的应用提供了参考。