激光近净成形Inconel 718高温合金的力学性能与耐腐蚀性能

宰雄飞，陈仕奇，吴宏，任俊业，刘咏，兰小东，李清湘，周少强，刘银



激光近净成形Inconel 718高温合金的力学性能与耐腐蚀性能

宰雄飞1，陈仕奇1，吴宏1，任俊业1，刘咏1，兰小东1，李清湘2，周少强2，刘银2

(1. 中南大学粉末冶金国家重点实验室，长沙 410083；2. 深圳中金岭南科技有限公司，深圳 518122)

以气雾化Inconel 718高温合金粉末为原料，采用激光近净成形增材制造技术制备用于酸性油田密封件与管道的Inconel 718合金，然后采用2种不同工艺进行热处理。通过扫描电镜与透射电镜观察、拉伸试验以及电化学腐蚀试验，对该合金的组织、力学性能和耐腐蚀性能进行分析和研究。结果表明：激光成形沉积态Inconel 718合金的主要缺陷为空心颗粒和氧化物颗粒，合金具有优异的抗腐蚀性能，但力学性能较差，抗拉强度为866.9 MPa。经过热处理后，由于γ″和γ′复合强化相的析出，合金的抗拉强度明显提高，伸长率降低。其中经均匀化+固溶+双时效处理的合金具有更优异的力学性能，抗拉强度达1211.9 MPa，满足油田密封件管道的性能要求，且腐蚀性能优于目前用于酸性油田的轧制态Inconel 718高温合金。

激光近净成形；Inconel 718；力学性能；微观组织；抗腐蚀性能

激光近净成形技术是通过计算机控制激光束和同轴送粉器的移动轨迹，在底板上逐层沉积叠加制备零部件，是金属增材制造的重要技术手段。激光近净成形可制备复杂形状零部件，且具有从设计到生产周期短、材料利用率高等优点。激光束扫描后熔池快速冷却(冷却速率为103~104K/s)，成形样品具有细小的枝状晶且可消除合金成分宏观偏析，具有独特的组织与性能[1−5]。Inconel 718合金是一种时效强化的镍基高温合金，高温下具有良好的力学性能和抗氧化性能，广泛应用于发动机涡轮盘和航空紧固件等[6−8]。同时Inconel 718高温合金还具有优异的抗腐蚀性能。近年来随全球能源危机的加剧，油气开采逐渐向深海、深层、酸性油气储层发展，为满足严酷的开采环境的要求，住友公司和NKK公司均将Inconel 718作为H2S酸性油气井开采的选用材料。Inconel 718高温合金经固溶处理后，具有优良的抗腐蚀性能，但其力学性能较差，无法满足油田使用条件。因此，目前用于酸性油田条件下的Inconel 718密封件和管道是将轧制后的合金进行固溶+时效处理[9]。近年来，激光近净成形技术被广泛应用于制备和修复Inconel 718零部件，本文拟采用激光近净成形技术制备Inconel 718高温合金，然后采用2种不同的工艺进行热处理，研究热处理工艺对材料微观组织、力学性能和酸性条件下耐腐蚀性能的影响，研究结果对于激光近净成形Inconel 718高温合金在酸性油气田的密封件与管道的应用中具有一定的指导与参考价值。

1 实验

1.1 Inconel 718合金制备及热处理

实验所用原料为中南大学粉末冶金研究院制备的气雾化Inconel 718高温合金粉末，粉末粒径为45~150 μm，化学成分列于表1，粉末形貌如图1所示。所用激光近净成形设备由CO2激光器，计算机数控平台和送粉系统组成，激光成形工艺参数列于表2。采用氮气作为保护气氛，底板为45钢板。制备的Inconel 718合金试样尺寸为30 mm×30 mm×60 mm，如图2所示。

表1 气雾化Inconel 718粉末的化学成分

表2 激光快速成形工艺

图1 气雾化Inconel 718合金粉末的SEM形貌

图2 激光近净成形Inconel 718合金样品

分别采用2种工业标准热处理工艺对激光成形样品进行热处理：1) 均匀化(1 080 ℃/1.5 h/空冷)+固溶(980 ℃/1 h/空冷)+双时效(720 ℃/1 h/炉冷，620 ℃/1 h/炉冷)；2) 固溶(980 ℃/1 h/空冷)+双时效(720 ℃/1 h/炉冷，620 ℃/1 h/空冷)。在电化学腐蚀试验中，采用油田中使用的经固溶+时效热处理的轧制Inconel 718样品作为对比试验，该对比样品由中南大学刘峰老师提供。

1.2 性能测试

将激光成形Inconel 718合金样品进行预磨、抛光后，采用阿基米德排水法测定密度。将沉积态及热处理后的合金预磨和抛光后进行腐蚀，腐蚀液组成为：5 g CuSO4+100 mL HCl+100 mL H2O，然后用德国Leica DM 400M型金相显微镜和Nova Nano SEM 230场发射扫描电镜(SEM)观察其显微组织。利用日本电子JEM-2100F透射电镜观察析出相的形貌。根据国家标准GB/T228—2002，将合金样品线切割为哑铃状平板拉伸试样，试样总长和标距分别为26和8 mm，利用美国的INSTRON 3369型电子万能材料试验机进行拉伸试验，并采用扫描电镜观察断口形貌。电化学腐蚀试验采用上海CHI600D工作站，饱和甘汞电极为参比电极，铂电极为辅助电极，合金电极为工作电极，腐蚀液为pH=3的K2SO4酸性溶液，扫描速率为0.5 mV/s。

2 结果与分析

2.1 样品缺陷

经测定，激光成形Inconel 718合金的致密度为98.67%。图3所示为沉积态样品的微观形貌。样品中的孔隙主要为气雾化Inconel 718粉末颗粒内部的孔隙(如图3(b)所示)与颗粒间的孔隙。在熔池的快速冷却过程中，空心颗粒中的气体与颗粒间的气体来不及溢出熔池，从而造成样品中的微小孔隙[10]。西北工业大学分别采用旋转电极制备的无空心颗粒的Inconel 718粉末和气雾化Inconel 718粉末为原料，以相同的激光成形工艺制备Inconel 718合金，以旋转电极粉末为原料制备的合金样品具有更高的致密度，力学性能更优异[3]。

图3(c)所示为激光成形合金样品抛光后的SEM形貌，图3(d)所示为沉积态样品的拉伸断口SEM形貌，从图3(c)和(d)都观察到合金中存在球状颗粒，能谱分析结果(图3(e))表明颗粒的氧含量很高，主要为金属氧化物。这是由于当激光束扫描后，氧元素在熔池表面富集[11]。激光对熔池有一定的能量冲击，表面富氧的熔液溅射冷凝形成氧化物颗粒。这些氧化物颗粒与基体材料间的润湿性较差，不能形成有效的冶金结合，成为裂纹源，导致材料的力学性能降低。

图3 Inconel 718合金粉末及其激光成形合金中的缺陷

2.2 力学性能

表3所列为铸态Inconel 718合金[12]与激光成形Inconel 718合金及其热处理后的室温拉伸性能[12]。激光成形沉积态合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率均优于铸态Inconel 718合金。经过热处理后，合金的抗拉强度和屈服强度都明显提高，伸长率下降。其中经均匀化+固溶+双时效热处理后的合金，其抗拉强度和屈服强度都最高，比热处理前分别提高约40%和88%，伸长率高于直接固溶+双时效处理的样品。

表3 Inconel 718合金的室温拉伸性能

图4所示为激光成形Inconel 718合金及其热处理后的拉伸断口SEM形貌。沉积态及热处理后的合金拉伸断口均存在孔隙与微裂纹。孔隙的存在是由于激光成形样品不致密，微裂纹则是在合金残余应力与拉伸力的共同作用下形成的。所有样品的拉伸断口均存在明显的韧窝，均为韧性沿晶断裂。

2.3 显微结构与组织

图5所示为激光成形Inconel 718合金及其热处理后的金相组织。可见沉积态合金由细小的枝状晶组成，经过固溶+时效热处理后合金组织无变化，未发生再结晶。而采用均匀化+固溶+时效工艺热处理后发生明显的再结晶，是由于均匀化温度(1 080 ℃)较高，高温及材料内部的残余应力为再结晶提供了驱动力。经过热处理后，影响材料力学性能的孔隙及颗粒状氧化物等缺陷并未得到改善。

图6所示为激光成形Inconel 718合金及其热处理后的SEM组织。对沉积态合金(图6(a))中的白色相进行能谱分析，结果如图6(f)所示，Nb元素在此富集，可判断白色相为Laves相。铸造Inconel 718高温合金通常存在Nb元素的宏观偏析，由图6(a)可知，激光成形Inconel 718样品中富Nb的Laves相均匀分布，不存在宏观偏析，且样品微观组织为细小的枝状晶，因此，其力学性能优于铸造的Inconel 718合金。Inconel 718是一种时效强化合金，Nb元素是其主要强化相γ″(Ni3Nb)的构成元素，而Laves相中含有约10%的强化相形成元素Nb[13−14]。采用2种不同的工艺热处理后，Inconel 718合金中的部分Laves相固溶于基体，并析出强化相γ″和γ′的复合相。均匀化+固溶+时效热处理及固溶+时效热处理后样品中的γ″和γ′的复合相在透射电镜下的形貌分别如图6(d)和(e)所示。细小的椭圆形片状析出相能起到钉扎位错的作用，阻碍位错的移动，从而提高材料的抗拉强度[15]。由图6(b)和(c)可知经固溶+双时效处理的合金，其组织中仍有部分Laves相，但趋于球化；相比之下，经过均匀化+固溶+双时效处理后，Laves相基本消失，因此有更多的Nb元素固溶于基体而析出更多γ″强化相，所以力学性能更加优异。

图4 Inconel 718合金的拉伸断口SEM形貌

图5 Inconel 718合金的金相组织

图6 激光成形Inconel 718合金的相组成

2.4 抗腐蚀性能

图7所示为目前用于油气田的轧制Inconel 718合金与激光成形Inconel 718合金及其热处理后在酸性条件下的塔菲尔曲线，根据塔菲尔曲线拟合得到电极自腐蚀电流密度corr和腐蚀电位corr如表4所列。腐蚀速率与自腐蚀电流密度呈正比，与腐蚀电位呈反 比[16]。根据图7与表4可知，沉积态的Inconel 718合金存在明显的钝化现象，且具有最大的腐蚀电位与最小的自腐蚀电流密度，具有优异的抗腐蚀性能；经过热处理后的Inconel 718合金比轧制态合金具有更正的腐蚀电位和更小的自腐蚀电流密度，其抗腐蚀性能明显优于目前用于油气中管道的轧制Inconel 718合金。

图7 Inconel 718合金在酸性腐蚀液中的Tafel极化曲线

Inconel 718高温合金经过时效处理后，析出强化相γ″ 和γ′复合相。在腐蚀过程中，由于强化相与基体之间的电位不同，以基体为阳极，析出相为阴极，形成许多腐蚀微电池，加速腐蚀过程。只经过固溶处理的合金和沉积态合金，其基体中的第二相很少，腐蚀微电池较少，因此合金的抗腐蚀性能优异，但力学性能较差，无法满足工业应用需求。经双时效处理的激光近净成形合金抗腐蚀性能较沉积态有所下降，但优于现在石油工业中选用的Inconel 718合金，且其力学性能满足工业需求。

表4 Inconel 718合金的自腐蚀电流密度与腐蚀电位

3 结论

1) 激光近净成形法制备的Inconel 718合金中存在的主要缺陷为孔隙与球形氧化物颗粒，热处理后缺陷未得到改善。

2) 激光近净成形Inconel 718合金抗拉强度为866.9 MPa，伸长率为30%。经均匀化+固溶+时效热处理后，抗拉强度提高到1 211.9 MPa，但伸长率下降至6%。

3) 激光近净成形Inconel 718合金显微组织为细小枝状晶，Laves相均匀分布均匀。经固溶+时效热处理后的合金，Laves相部分固溶于基体，并析出γ″和γ′复合相。经均匀化+固溶+时效热处理的Inconel 718合金中Laves相完全溶解，析出更多的γ″和γ′复合相，并发生再结晶。

4)激光近净成形Inconel 718合金经时效热处理后，在酸性环境下的抗腐蚀性能优于现石油工业中使用的轧制态Inconel 718合金，且力学性能满足使用 要求。

[1] ZHANG Kai, LIU Weijun, SHANG Xiaofeng. Research on the processing experiments of laser metal deposition shaping[J]. Optics & Laser Technology, 2007, 39(3): 549−557.

[2] ZHONG Minlin, LIU Wenjin, NING Guoqing, et al. Laser direct manufacturing of tungsten nickel collimation component[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2004, 147(2): 167− 173.

[3] LIU Fencheng, LIN Xin, YANG Gaolin, et al. Microstructure and residual stress of laser rapid formed Inconel 718 nickel-base superalloy[J]. Optics Laser Technology, 2011, 43(1): 208−213.

[4] LI Yanmin, YANG Haiou, LIN Xin, et al. The influences of processing parameters on forming characterizations during laser rapid forming[J]. Materials Science and Engineering A, 2003, 360(1): 18−25.

[5] SCHWENDNER K I, BANERJEE R, COLLINS P C, et al. Direct laser deposition of alloys from elemental powder blends[J]. Scripta Materialia, 2001, 45(10): 1123−1129.

[6] 王宝顺, 罗坤杰, 张麦仓, 等. 油井管用镍基耐蚀合金的研究与发展[J]. 世界钢铁, 2009, 9(5): 42−49. WANG Baoshun, LUO Kunjie, ZHANG Maicang, et al. Research and development of Nickel-based corrosion resistance alloy for oil country tubular goods[J]. World Iron & Steel, 2009, 9(5): 42−49

[7] AMATO K N, GAYTAN S M, MURR L E. Microstructures and mechanical behavior of inconel 718 fabricated by selective laser melting[J]. Acta Materialia, 2012, 60(5): 2229−2239.

[8] HONG J K, PARK J H, PARK N K. Microstructures and mechanical properties of inconel 718 welds by CO2laser welding[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2008, 201(1/3): 515−520.

[9] 宋宜四, 高万夫, 王超, 等. 热处理工艺对Inconel 718合金组织、力学性能及耐蚀性能的影响[J]. 材料工程, 2012(6): 37−42. SONG Yisi, GAO Wanfu, WANG Chao, et al. Effect of heat treatment technology on microstructure, mechanical property and corrosion resistance of Nickle-base alloy Inconel 718[J]. Materials Engineering, 2012(6): 37−42.

[10] LIU Fencheng, LIN Xin, HUANG Chunping, et al. The effect of laser scanning path on microstructures and mechanical properties of laser solid formed nickel-base superalloy inconel 718[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2011, 509(13): 4505−4509.

[11] 李瑞迪. 金属粉末选择性激光熔化成形的关键基础问题研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2010. LI Ruidi. Research on the key basic issues in selective laser melting of metallic powder[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2010.

[12] FRAZIER W E. Metal additive manufacturing: A review[J]. Journal of Materials Engineering and Performance, 2014, 23(6): 1917−1928.

[13] ZHANG Dongyun, NIU Wen, CAO Xuanyang, et al. Effect of standard heat treatment on the microstructure and mechanical properties of selective laser melting manufactured Inconel 718 superalloy[J]. Materials Science and Engineering A, 2015, 644(17): 32−40.

[14] 鲁世强, 黄伯云, 贺跃辉. Laves相合金的力学性能[J]. 材料工程, 2003(5): 43−47. LU Shiqiang, HUANG Boyun, HE Yuehui. Mechanical properties of Laves phase alloys[J]. Journal of Materials Engineering, 2003(5): 43−47.

[15] ZHAO Xiaoming, CHEN Jing, LIN Xin. Study on the microstructure and mechanical properties of laser rapid forming Inconel 718[J]. Materials Science and Engineering A, 2008, 478(1/2): 119−124.

[16] JAMESH M I, WU G, ZHAO Y, et al. Electrochemical corrosion behavior of biodegradable Mg-Y-RE and Mg-Zn-Zr alloys in Ringer’s solution and simulated body fluid[J]. Corrosion Science, 2015(91): 160−184.

(编辑 汤金芝)

Mechanical properties and corrosion resistance of laser rapid forming Inconel 718 superalloy

ZAI Xiongfei1, CHEN Shiqi1, WU Hong1, REN Junye1, LIU Yong1, LAN Xiaodong1, LI Qingxiang2, ZHOU Shaoqiang2, LIU Yin2

(1. State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China;2. Shenzhen Nonfemet Technology Co., Ltd, Shenzhen 518122, China)

The Inconel 718 superalloy can be used in acid oil field as sealing element and pipeline. In this paper, the Inconel 718 superalloy was fabricated with gas atomization Inconel 718 powders by laser rapid forming. The effects of two different heat treatments on the microstructure, mechanical properties and corrosion resistance were studied by SEM, TEM, tensile test and electrochemical corrosion test. The results show that the hollow particles and spherical oxidate particles in the samples are the main defects. And as-deposited Inconel 718 samples have excellent corrosion resistance but poor tensile strength (866.9 MPa) than samples with heat treatment. After heat treatments, the tensile strength increases but the elongation decreases due to the precipitation of γ″ and γ′ composite phase. The laser rapid forming samples with homogenization+soluation+aging heat treatment have the best tensile strength (1211.9 MPa) and better corrosion resistance than as-rolled Inconel 718 alloy and can meet with the properties offered by oil field sealing pipeline.

laser rapid forming; Inconel 718; mechanical properties; microstructure; corrosion resistance

TG146.1

A

1673-0224(2017)05-680-07

国家重点研发计划资助项目(2016YFB1100103)；湖南省重点研发计划资助项目(2016JC2003)；中南大学创新驱动计划资助项目(2016CX003)；长沙市科技计划重大专项(K1502003-11，K1404001-11，K1306003-11)

2017−01−13；

2017−05−23

吴宏，副教授，博士。电话：0731-88877669；E-mail: wuhong927@126.com