论文摘要
船用桨叶固定螺栓是关系船只作业安全的重要部件。因其直接接触海水及承受复杂的应力,因而对其耐蚀性能及韧塑性提出了更高的要求;另外,由于阴极保护装置的存在,使氢脆破坏变成其主要的失效方式之一。因此,开发适于船用桨叶固定螺栓具有重要的应用价值。本论文的研究工作以Inconel 718合金为基础,研究高强高韧,抗氢性能良好的螺栓材料。Inconel718合金为典型的沉淀强化型合金,在-253℃～+700℃范围内具有高的强度、良好的塑韧性、加工性能和长期组织稳定性及良好的抗疲劳性、抗氧化性和耐蚀性。同时,该合金为面心立方（FCC）结构,对氢脆的敏感性较低,适宜于用作海洋环境并承受复杂载荷的螺栓材料。论文采用透射电子显微镜（TEM）、扫描透射电子显微镜（STEM）、慢应变速率拉伸（SSRT）、双道次热压缩、动电位阻抗谱（DEIS）、X射线光电子能谱（XPS）、Thermo-Calc热力学计算等多种研究手段和测试方法,从力学性能、相析出的动力学、点蚀及晶间腐蚀机理、合金元素的平衡分配特性等多方面,对Inconel 718合金的组织特性及相关性能进行了深入细致的研究。在试验和理论计算的基础上提出了 Inconel 718合金的成分优化设计方案,获得了具有创新性的研究成果。研究结果表明,Inconel 718合金的主要强化机制为γ’/γ"相的沉淀强化和细晶强化,其中晶粒尺寸与δ相的数量和分布关系密切。δ相在1050℃固溶1 h后几乎完全溶于基体,在1025℃以上,Inconel 718合金晶粒尺寸随晶间δ相的溶解而迅速粗化长大。变形态合金的静态再结晶形核方式以晶界弓出形核为主,伴随着亚晶合并长大。在强度方面,γ’/γ"相的粗化能显著影响合金的屈强比,并且δ相的析出无益于合金强度的提高。另外,Inconel 718合金的耐腐蚀性能和抗氢脆性能随δ相的溶解而提高,并且这些性能随δ相由颗粒状→块状→连续状的转变而降低。由δ相析出的PTT曲线可知,其析出开始和析出终了的鼻值点分别为920℃保温5s和940℃保温2815s。δ相主要在位错上形核,但随着析出温度的降低会在晶界上形核,在更低的温度下（<900℃）,γ’/γ"→δ的转变是δ相的主要形核方式。研究表明,Inconel 718合金的点腐蚀和晶间腐蚀对块状析出的MC型碳化物同样敏感。合金的点腐蚀和晶间腐蚀往往起源于其中的块状碳化物。而γ’/γ"相的析出过程,因为增加了基体中的Cr浓度而增加合金表面钝化膜的稳定性。但当合金钝化膜遭到破坏后,γ’/γ"相的存在,会促进电腐蚀反应,增加点蚀敏感性。另外,Inconel 718合金的晶间腐蚀性能主要受制于晶间δ析出相,其腐蚀机理为晶间δ相的选择性溶解,故而通过热处理工艺控制δ相的析出,能够改善合金的耐晶间腐蚀性能。通过对Inconel 718合金在600—1100℃之间的Thermo-Calc热力学平衡计算,发现合金中的强化相形成元素（Nb,Ti,Al）的主要分布于δ（y"）和γ’相中。如在620℃时,大约 73.5%Nb,18.6%Ti 和 13.5%Al 分布于 δ 相中;23.4%Nb,78.2%Ti 和79.2%Al分布于γ’相;而仅2.5%Nb,3.2%Ti和20.8%Al分布于基体相（γ）中。且碳元素主要分布于碳化物中,降低合金的含碳量能显著降低碳化物的析出数量和尺寸。因此选取适当的热处理工艺能有效减少MC、M23C6相及避免M6C相的析出。针对耐蚀抗氢脆螺栓材料的使用特点,结合Inconel 718合金腐蚀机理分析及热力学平衡计算的研究结果,在降低合金碳含量的基础上,通过调整合金中主要强化相形成元素Nb的含量及基体强化相元素W的添加,在降低合金的沉淀强化作用的同时加强固溶强化,以优化合金的力学性能、耐蚀性能和抗氢脆性能。进而开发出了力学性能优良,耐蚀性较高和氢脆敏感性较低的改型合金,其在0.5 mol/L H2SO4+0.25 g/L As2O3水溶液中以-100 mA/cm2充氢时间4 h后的慢拉伸强度下降率仅为8.79%,且具有较高的塑性值。