Incoloy 800H合金的晶间腐蚀

中德密封

Incoloy 800H合金的晶间腐蚀

南胜辉

不锈钢在各种腐蚀介质中仍能不同程度的被腐蚀，其中局部腐蚀对设备或工件的危害最大，并导致设备早期失效。例如氯碱厂的EDC(二氯已烷)裂解炉炉管及密封垫片(材料牌号为Incoloy 800H铬镍钢)在使用数年后出现裂纹而报废。为找出炉管及密封件失效的原因，探讨延长炉管和密封垫片寿命的可能性，我们对该材料的腐蚀失效问题进行了研究。

EDC裂解炉管设计压力4MPa，设计温度530℃，最大管壁温度682℃，物料为纯度99.5%的精制EDC，其中 含有微量水。

研究方法

对电解炉管线及垫片腐蚀与未腐蚀试样宏观照片后，采用如下方法和步骤：

(1)用10%盐 酸清洗试祥表面，然后清水洗涤，酒精脱水，吹干，沿腐蚀部位纵向和横向切开，磨抛前后用体视显微镜照宏观形貌照片观察断口形貌以及表面和内部的裂纹。

(2)用金相显微镜研究断口形貌的金相组织、裂纹源和裂纹扩展路径。

(3)化学分析材料成分以及成分变化，研究在材料失效过程中其它元素与材料反应或扩展的情况。

(4)采用D一MAX扫描电镜对裂纹源和裂纹扩展区域进行微观分析，了解其显微形貌，推测裂纹源形成和扩展的原因。使用能谱对裂纹源和裂纹尖端及腐蚀产物进行成分分析以确定纹源的相组成以及杂质在裂纹处的分布。

分析结果与讨论

对正常部位取样进行化学分析，其主要成分如表1（相应的Incoloy 800H合金牌号成分列在表中第二行）。结果表明该样与Incoloy 800H合金成分相同(我国相应牌号为0Cr20Ni32Fe)。

在焊接热影响区（距焊缝5mm）垂直于裂纹、平行于管半径取样，取样部位见图1，对其剖面进行宏观、金相及电子显微分析。图2是主裂纹前端的金相显微照片，它的宽度、大约为0.02mm。图3沿晶间扩展的二次裂纹，属晶间腐蚀。腐蚀还沿孪晶晶界发展，见图4。图2至图4清楚表明了材料的晶间腐蚀细节。


电子显微分析表明，材料内部存在氢气泡（图5，气泡直径为0.3mm，200×）。氢气泡表面布满裂纹，说明在焊接过程中由于水蒸汽的存在导致氢气进入溶池，在随后的冷却过程中氢气析出，引起的体积膨胀导致开裂并作为裂纹源存在。对裂纹源进行能谱成分分析表明，除氢气外吴其它杂质。主裂纹的电子显微照片见图8.对裂纹内沉积物进行微区能谱分析结果见表2。

表2中的Al，Si，Ca，S，Cr，Ti等均有晶界富集。如不考虑微量元素的含量，仅考虑Cr，Fe，Ni等元素，则相应的含量（wt%）为26.80，41.96，31.24。其中Cr含量超过平均含量，而Ni含量略低于平均含量。由此可见在晶界存在Cr的富集并存在相应的Cr23C6类碳化物，这是晶间腐蚀的原因。至于Ti和Al的大量存在则是合金设计时有意加入的，目的是形成碳化物以避免Cr的析出。

直接沿裂纹断口切制试样。对试样表面清洗后发现腐蚀产物不溶于盐酸，对断口照电镜像（图7），断口为沿晶间的韧性断裂。对其进行微区成分分析，其成分与材料宏观成分相似。

焊皮渣存在点蚀，该腐蚀为点蚀引起的裂纹扩展。对其内部化合物进行电子显微分析结果为（wt%）：1.00Cl；18.43Cr，61.49Fe；7.31Ni；11.48Cu，其位置见图8。分析表明，Cl和Cu含量非常高，而Ni含量偏低。很明显Cl的积聚引起点蚀，并由此引发裂纹。估计所用焊条是普通奥氏体钢焊条

对试样外表面的点蚀区进行金相分析，见图9，其表面主要是由于晶间腐蚀造成晶粒脱落。

在远离焊缝热影响区取样，电子探针成分分析表明合金成分无变化，进行显微照片见图10。这时的腐蚀仍为晶间腐蚀，而且可以沿晶界发展到包围整个晶粒，导致晶粒脱落，宏观上表现为点蚀。这一裂纹沿晶界发展并包围晶界。在研究中，未发现缝隙腐蚀的情况。

结论

（1）晶间腐蚀是管件失效的主要原因，其特点是沿晶间腐蚀导致整个晶粒脱落。这是因为Cr以碳化物形式析出，导致晶界贫Cr，降低晶界电极电位而使晶界优先腐蚀，裂纹沿晶界扩展。在焊接热影响区晶间腐蚀严重，是由于在晶界处析出大量的碳化物。此外由于在焊接过程中氢进入溶池，导致氢气泡的出现并作为裂纹源。

（2）焊皮的阴级作用使其覆盖金属基体产生点蚀。该处还看到了氯的富集，这与水的超标和盐酸的形成有关。

（3）Incoloy 800H(0Cr20Ni32Fe)为典型裂解炉炉管合金，但如果采用该合金的改进型Sanicro30，则由于此合金降低了含碳量，因此可避免晶间腐蚀。

（4）在焊接时采用专门焊条。如采用钨极氩弧焊或金属极氩弧焊，填丝为DIN 1736S-NiCr20Nb。采用手工电弧焊则焊条为AWS A5.11ENiCrFe-3。

sichuancj

(4)采用D一MAX扫描电镜对裂纹源和裂纹扩展区域进行微观分析，了解其显微形貌，推测裂纹源形成和扩展的原因。使用能谱对裂纹源和裂纹尖端及腐蚀产物进行成分分析以确定纹源的相组成以及杂质在裂纹处的分布。