镍合金（inconel690/NO6690）化学成分参数

Inconel690合金是一种富Cr的(～30%)面心立方结构奥氏体型镍基合金。它具有优良的抗应力腐蚀、晶间腐蚀能力和热稳定性，作为换热管材料被广泛应用于航空、航天和核工业等行业。该合金通常采用固溶处理和特殊热处理(TT处理) 来提高Inconel690合金的抗应力腐蚀能力。在外加机械载荷作用下690合金将发生较为严重的磨损，为提高其抗摩擦磨损性能，各种氮化工艺被研究者们引入和尝试。对于高Cr含量的不锈钢，因外表面会有一层以氧化铬为主体的钝化膜阻碍N的渗入，造成渗氮困难，因此采用气体渗氮法去钝化膜的工作很繁杂。但在离子渗氮时由于溅射作用使升温中的不锈钢零件表面净化，又通过氢离子的还原，容器中残留氧减少。防止了不锈钢表面氧化而无须经专门预处理即可直接渗氮，显著缩短了渗氮时间。离子渗氮工艺已经成功用于提高铁基材料的表面硬度并改善其摩擦磨损性能，因此可尝试利用离子渗氮来提高镍基超合金的摩擦磨损性能。本文将特殊热处理和渗氮工艺相结合，讨论各工艺对690合金组织特性的影响。

1 实验材料和方法

实验用Inconel690合金主要化学成分(质量分数，%)为：Mn 0.30,Cr 28.01,Fe 9.38,Ni 61.85及微量的C、Ti、Al等。根据资料2,为提高Inconel 690合金的抗应力腐蚀的能力，本实验对经1050 ℃固溶处理和700℃TT处理后，以及仅进行1050℃固溶处理的690合金进行离子氮化处理。渗氮试验在LD2-50型离子氮化炉中进行。氮化温度为540℃,保温时间为8～11h;渗氮气氛为氨气，炉压控制在300 Pa。

采用SU70热场发射扫描电镜(FE-SEM)观察形貌及成分分布，浸蚀剂为氯化铜盐酸水溶液；运用GDHV4000型显微硬度计测量硬度；相组成采用Dmax-rc型X射线衍射仪(XRD)分析，以CuKα为射线源。

2 试验结果与分析

未经渗氮处理的原始试样显微组织如图1所示。690合金的组织为奥氏体和少量碳化物，晶粒为等轴晶，因固溶温度较高，晶内碳化物相对较少，主要在晶界析出，晶粒内存在大量孪晶。在合金内还有微量淡黄色颗粒(图1中箭头所示),多呈块状或多边形，分析成分可知为Ti(C,N)和Al₂O₃等硬质点，在材料中起到“钉扎”效应，可提高材料的强度和耐腐蚀性。

经540℃渗氮后690合金的显微组织如图2所示，未经TT处理试样渗氮层厚为7μm,而经700 ℃TT处理试样渗氮层厚度为5μm。

从各成分含量可以看出图2(a)渗层中仅N含量有明显升高，而Cr、Ni含量几乎没有变化，说明渗层中并未形成CrN化合物，而是N固溶于奥氏体中，推测形成了由亚稳并具有面心立方结构的氮过饱和固溶体(γx相)构成的改性层[4,5]

从图2b中可明显区分出渗层与基体，渗层中Cr与N含量变化趋势相同，而与Ni含量起伏相反。这可能是由于Cr是强氮化物元素，Cr与N有很强的亲和力；而Ni为极弱的氮化物形成元素，几乎不与N结合，Cr与N的结合将Ni排挤或屏蔽，而在富Ni的区域Cr、N含量相对较少。同时由图3中的成分分析可以推断经渗氮处理后渗层主要是化学配比接近1:1的Cr的氮化物(CrN)及贫N、Cr的铁镍奥氏体(γFeNi)[5] 。

渗氮前后显微硬度如图4所示。由图4可知，渗氮前显微硬度在190HV;进行TT处理后再进行渗氮的试样(图4中曲线b)表面硬度为380 HV,而未进行TT处理便进行渗氮的试样(曲线c)硬度提高幅度较大，表面硬度达850 HV。

3 结论

经固溶处理和TT处理后的试样经540℃渗氮后Inconel690合金渗氮层以化合物CrN及贫N、Cr的铁镍奥氏体(γ-FeNi)为主，渗氮层厚度在5μm左右，渗氮层硬度提高较少，约是基体的1.5倍；而仅经固溶处理便进行540℃渗氮处理后渗氮层以γx相为主，渗氮层厚度在7μm左右，渗氮层硬度提高较多，约是基体的3.5倍。