[发明专利]一种抑制铁镍基合金氢致沿晶裂纹萌生与扩展的方法

说明书

本发明涉及铁镍基合金领域，具体地说是一种通过引入锯齿晶界抑制铁镍基合金氢致沿晶裂纹萌生与扩展的方法，改善铁镍基合金易形成氢致沿晶开裂失效的问题。采用控制冷却速度热处理(以下简称控冷热处理)工艺，将合金部分平直晶界转变为锯齿晶界，增加合金氢致沿晶裂纹萌生和扩展阻力，具体为：高温保温处理→控冷处理→空冷→时效处理的工艺路线。本发明方法处理的铁镍基合金，可将部分高能平直随机晶界转变为低能锯齿晶界，且保证锯齿晶界最大振幅在1μm以上，在不损伤合金基础室温力学性能的前提下，对氢致沿晶裂纹的萌生与扩展有强烈的阻碍作用。

技术领域

本发明涉及铁镍基合金领域，具体地说是一种通过引入锯齿晶界抑制铁镍基合金氢致沿晶裂纹萌生与扩展的方法。

背景技术

随着氢能的发展，对储氢及临氢环境材料提出更高的使用要求。奥氏体合金相较于铁素体和马氏体合金来说，具有较大的氢溶解度和较低的氢扩散系数，因而具有更好的抗氢性能。单相奥氏体合金抗氢性能较好，但其强度偏低(屈服强度一般不高于350MPa)，因而已不能满足未来更严苛的使用要求。沉淀强化奥氏体合金是在单相奥氏体合金的基础上添加合金元素发展起来的，通过时效过程中析出与基体共格的γ′-Ni₃(Al,Ti)强化相，获得高强度以及较好的塑性，因而日益受到关注。典型的合金如：国内的J75和J100合金等。

铁镍基合金强度较单相奥氏体合金为高，但抗氢损伤能力却有明显的下降，以铁镍基合金J100为例，其室温屈服强度(σ_0.2)可达750MPa以上，但氢致延伸率损减达到60％(氢致延伸率损减δ_L＝(δ₀-δ_H)/δ₀，δ₀：室温延伸率，δ_H：饱和充氢后室温延伸率)以上。研究发现，这与合金极易形成氢致沿晶开裂有关，而进一步的研究表明，氢致沿晶裂纹的萌生和扩展主要发生在随机晶界处，其内在原因与随机晶界能量高，缺陷多的特性密切相关。显然，通过控冷热处理工艺实现随机晶界调控，将部分高能的平直随机晶界转变为低能锯齿晶界，打断平直随机晶界连通性，应是提高铁镍基合金氢致沿晶裂纹萌生与扩展阻力的有效方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过引入锯齿晶界抑制氢致沿晶裂纹萌生与扩展的方法，提高现有铁镍基合金的耐氢损伤能力。

本发明的技术方案是：

一种抑制铁镍基合金氢致沿晶裂纹萌生与扩展的方法，采用控冷热处理工艺实现部分平直随机晶界的锯齿化，所述的控冷热处理工艺，包括如下步骤：

(1)将铁镍基合金在980～1030℃保温1h～1.5h；

(2)将步骤(1)中保温处理后的铁镍基合金以一定的冷却速度冷却至900～920℃，冷却速度为1～6℃/min；

(3)将步骤(2)控冷处理后的铁镍基合金，取出空冷至室温；

(4)将步骤(3)空冷处理后的铁镍基合金进行时效处理，第一步时效在710～730℃保温8～16h，取出空冷，随后进行第二步时效，在610～630℃保温16～32h，取出空冷至室温；

其中，铁镍基合金牌号为J100，其化学成分如下：按重量百分计，Ni：34.0～36.0，Cr：14.5～15.5，Mo：3.4～3.6，钛：2.80～3.20，铝：1.3～1.70，硅：0.1～0.3，硼：0.0008～0.0025，铁：余量。

所述的抑制铁镍基合金氢致沿晶裂纹萌生与扩展的方法，控冷热处理采用可控制冷却速度的热处理炉。

所述的抑制铁镍基合金氢致沿晶裂纹萌生与扩展的方法，采用控冷热处理工艺，促使合金中的Mo、Nb元素在控冷过程中发生晶界偏析，对晶界迁移产生拖曳作用，从而将部分平直随机晶界转变为锯齿晶界。