分享：镍基耐蚀合金Hastelloy G30板材热处理

哈氏合金G30是一种具有优异性能的镍基耐蚀合金，按照标准ASTM B582—07(2018)规定，其主要合金元素包括镍、铬、钼、铜和铁，其中镍的质量分数大于37%，铬的质量分数大于30%。由于哈氏合金G30的高铬含量以及钼、钨、铜、钴、铌等合金元素的加入，使其具有极好的耐腐蚀性。尤其在高氧化性的混合酸性介质中，如H₂SO₄+HF、H₃PO₄、HNO₃+HF等环境，G30相对于其它材料表现出了良好的耐腐蚀性能。因此，被广泛应用于磷酸生产、硝酸+氢氟酸酸洗设备、部件以及核燃料和核废料处理领域^[1−4]。 

G30合金的应用以宽幅中厚板材为主，主要用于制造化工装备、管道、复合板等，市场需求量较大。在实际应用中，要求哈氏合金G30的化学成分、力学性能和耐腐蚀性能均需完全满足工程结构用板材的标准。 

相对于其他牌号的哈氏合金，如镍钼类的哈氏合金B、镍铬钼的哈氏合金276、哈氏合金C22、哈氏合金C2000等，哈氏合金G30的研究资料较少。国内生产哈氏G30产品时受制于设备能力，产品一直以宽度小于1200 mm的窄幅板为主，大单重的宽幅中厚板主要依赖进口。随着哈氏G30板材应用范围的扩大及需求量的增加，宝钛集团以市场需求为背景在这一领域开展了大量工作，目前具备了相应的生产设备和技术能力，并对哈氏G30宽幅板材制备工艺进行了大量的研究。本文研究了哈氏G30宽幅板材热处理工艺，旨在获得最适合的热处理工艺。同时，结合G30合金的实际服役条件，研究其有害第二相α相的析出规律，以便在实际加工和应用过程中进行规避和防控。 

1.   实验材料和方法

使用电解镍、金属铬、原料纯铁、熔炼铌、钼锭、钨条、电解铜等作为金属原料制造哈氏合金G30。上述原料均经过精心设计和严格的品质控制，能够确保合金的化学成分和优良性能。采用真空感应加电渣重熔双联法进行熔炼，可以显著提高熔炼质量，降低O、N、H、S含量，进一步减少有害间隙元素和非金属夹杂物的生成^[5−6]。 

熔炼制备?500 mm的哈氏G30铸锭，其化学成分（见表1）完全满足标准ASTM B582—07(2018)的要求。铸锭在锯切冒口后，进入锻造工序。在1300 kW箱式电炉中加热至1150 ℃，保温5 h，确保铸锭在锻造前达到适宜的温度且温度均匀。之后通过6300 t压机锻造板坯，制得的板坯规格为150 mm×900 mm×2000 mm。 

表  1  哈氏合金G30铸锭化学成分（质量分数） %

项目	Ni	Cr	Fe	C	Si	Cu	W	Mo	Co	Nb	Mn
本文样品	余量	30.0	16	0.01	0.02	2.0	2.8	5	3	1.0	1.0
标准成分*	余量	28.0~31.5	13~17	≤0.03	≤0.80	1.0~2.4	1.5~4.0	4~6	≤5	0.3~1.5	≤1.5
注：*采用ASTM B582—07(2018)标准。

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板坯经过刨铣修磨之后，在3300 mm四辊可逆式热轧机进行热轧。热轧采用二火轧制的方式，一火轧至厚度40 mm，扒皮下料。再经过二火轧制，得到厚度为6 mm，宽度为2000 mm的中厚板材。对制得的中厚板材取样进行热处理实验，试样横向规格均为40 mm×300 mm。热处理工艺以镍铬钼和镍铬铁相图为参考进行制定：热处理温度为1050、1100、1150、1200 ℃，保温时间30 min，冷却方式为水冷。 

热处理实验完成后，采用光学显微镜观察板材的微观组织，并对热处理后的板材试样进行力学性能测试。根据实验结果分析研究不同热处理方案对组织和性能的影响，结合ASTM B582—07(2018)规定的力学性能标准确定最合理的热处理工艺。同时为了研究合金第二相σ相析出敏感性，对热处理后的试样分别在600、700、800和900 ℃进行中温时效处理，时效处理时间为2 h。通过该实验能够更好地了解合金在第二相σ相析出过程中的行为和规律，对于优化热处理工艺和提高合金性能具有重要的意义，同时也为进一步的理论研究提供了可靠的依据。 

2.   结果与讨论

2.1   热轧态组织

哈氏合金G30板材热轧态微观组织如图1所示，呈现出一种典型的加工变形组织。可以观察到大量的变形带和变形晶粒。同时，在晶界和晶内存在着大量的第二相。哈氏合金含有大量Fe、Mo等合金元素，在合金制备过程中各元素结合产生第二相。 

图  1  热轧态哈氏合金G30板材低倍(a)及高倍(b)微观组织

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哈氏合金G30是一种超低碳的高铬合金，铌元素的添加有效地抑制了碳与铬结合生成金属间化合物CrC。因此，合金内的第二相主要为σ相，σ相容易富集Mo、W等元素。当σ相沿晶界析出时，会导致晶界周围Mo、W的贫化，从而降低合金晶界的耐蚀性，在一些腐蚀环境中会导致晶间腐蚀的产生^[7]。 

此外，σ相是一种脆性相，晶粒中大量出现σ相会严重影响材料的韧性，甚至可能导致板材发生脆性断裂。而通过适当的热处理工艺，可以使这些第二相完全固溶。因此，为了确保材料的使用性能和寿命，必须采用合理的热处理工艺来消除这些脆性相，进一步消除它们对材料性能带来的不利影响。 

2.2   热处理工艺对微观组织的影响

图2所示为不同温度热处理后G30板材试样沿轧制方向的微观组织。当热处理温度为1050 ℃时，仍以变形组织为主，如图2(a)所示，说明该温度下再结晶尚未开始。此时第二相析出较多，且尺寸较大无法溶解，导致板材微观组织并不均匀，不能满足实际需求。当热处理温度提升至1100 ℃时，微观组织如图2(b)所示，组织中开始出现少量再结晶晶粒。由于该温度偏低，大部分组织仍然以纤维状为主，没有实现完全再结晶，并且仍然能观察到析出的第二相颗粒。该温度下的组织仍存在一定缺陷，不能满足实际需求。当热处理温度进一步提升至1150 ℃时，板材完成了完全再结晶，轧制变形的纤维状晶粒得以消除。此时晶粒尺寸较小，晶界和晶内存在一定的σ相，如图2(c)所示，这可能会对材料的力学性能产生一定的影响，需要进一步验证。最后，当热处理温度达到1200 ℃时，如图2(d)所示，板材展现出完全再结晶的组织状态，基体组织均匀，晶界处的σ相大量减少，晶粒相对于热处理温度为1150 ℃时有所长大。为了全面评估1150和1200 ℃热处理工艺的效果，需要结合力学性能测试结果进行进一步的比较验证。 

图  2  不同热处理温度下哈氏合金G30板材微观组织：(a) 1050 ℃；(b) 1100 ℃；(c) 1150 ℃；(d) 1200 ℃

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2.3   热处理工艺对力学性能的影响

表2所示为经不同热处理工艺制备的板材力学性能。通过力学性能的对比可以得出，当板材试样在相对较低温度（1050 ℃）热处理后，其抗拉强度和屈服强度最高，但塑性较差，断后伸长率值仅为23%，低于ASTM B582—07(2018)标准中对G30板材塑性的要求。板材试样经过1100 ℃热处理后，断后伸长率达到37%，虽然达到了标准要求，但断后伸长率仍然较低，在实际应用中并不一定能完全满足使用要求。结合微观组织分析，通过这2种热处理工艺制备的试样的微观组织均未完成再结晶，说明加热温度为1050和1100 ℃的热处理工艺均不可取。 

表  2  不同热处理温度哈氏合金G30板力学性能

热处理温度/℃	抗拉强度/MPa	屈服强度/MPa	断后伸长率/%
1050	974	611	23
1100	850	540	37
1150	771	375	49
1200	680	335	56
标准力学性能*	≥586	≥241	≥30
注：*采用ASTM B582—07(2018)标准。

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当板材试样经过1150和1200 ℃热处理后，其抗拉强度和屈服强度均满足标准ASTM B582—07(2018)要求，同时具有更好的塑性变形能力，断后伸长率分别达到了49%和56%。当板材经过1200 ℃热处理时，因为加热温度更高，导致其延伸率相对较高，但抗拉强度和屈服强度值反而较1150 ℃热处理时有所下降。 

结合微观组织分析，经过1150 ℃热处理后试样有少量的σ相残留，经过1200 ℃热处理试样中的σ相大量减少。同时，经过1200 ℃热处理后试样的晶粒偏大，也可能对其力学性能产生影响。为了进一步获取更均匀的组织和更优异的综合力学性能，热处理温度为1170 ℃进行了热处理实验，以期能够找到一个既可以满足力学性能要求，又能够优化微观组织的热处理参数。 

2.4   1170 ℃热处理结果

经过1170 ℃热处理的板材试样微观组织见图3，呈现出一种均匀的组织结构，晶界处几乎没有σ相的存在，晶粒大小适中，微观组织的均匀性更好。 

图  3  1170 ℃热处理后哈氏合金G30板的微观组织

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经过1170 ℃处理后，板材的抗拉强度和屈服强度分别达到了730和360 MPa，同时断后伸长率为50%，展示出了良好的强度和塑性。该力学性能远远高于ASTM B582—07(2018)标准要求。 

综合以上实验结果可知，热处理温度为1170 ℃时哈氏合金G30板材具有更加优秀的综合性能。该工艺不仅可以提高材料的力学性能和耐腐蚀性能，还能够保证材料具有良好的组织形态和晶粒大小。 

2.5   材料中温敏感性σ相析出的研究

哈氏合金G30板材在实际应用中，通常需要经过焊接、再加热变形等加工过程。例如，当G30合金与钢板复合应用时，需要在复合板制备完成后进行退火处理。为了保证板材性能不受后续加工工艺产生的不利影响，对G30合金在使用温度范围内（600~900 ℃）第二相析出的敏感性展开研究，避免在使用过程中因为工艺不当，导致第二相再次大量析出，从而影响材料的应用性能及使用寿命。 

对经过1170 ℃热处理后的哈氏合金G30板材分别在600、700、800、900 ℃下保温2 h，进行时效处理。时效处理后板材的微观组织如图4所示。可以看出，当时效温度为600和700 ℃时，基体组织没有发生明显的变化。当时效温度升至800 ℃时，晶界开始大量析出第二相，并且晶粒有明显的长大倾向。随着温度进一步升高至900 ℃，晶粒和晶界处析出了更多的σ相，甚至引起了基体晶粒组织的变化。因此，为了避免长期使用中哈氏合金G30板材中析出第二相影响材料使用性能和寿命，要求该合金一般在低于800 ℃的环境中服役。 

图  4  不同时效温度哈氏合金G30板微观组织：(a) 600 ℃；(b) 700 ℃；(c) 800 ℃；(d) 900 ℃

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3.   结束语

（1）随着热处理温度由1050增加至1200 ℃，G30板材变形组织逐渐减少，再结晶晶粒逐渐增加直至完全再结晶；强度随着温度的升高先增大后变小，断后伸长率则单调增加。 

（2）哈氏合金G30板材经过1170 ℃，保温30 min，水冷的热处理工艺后，合金微观组织均匀单一、第二相大量溶解，具有最优的综合力学性能。 

（3）哈氏合金G30板材在实际应用中要合理控制工作温度，长时间服役温度应低于800 ℃以避免σ相大量析出从而对合金的使用性能带来不利影响

来源--金属世界