近日，來自英國的曼徹斯特大學（The University of Manchester）的一項最新研究表明，利用先進的分析顯微鏡技術觀察到了更復雜的優(yōu)先晶間氧化(PIO)行為。這種優(yōu)先的晶間氧化發(fā)生在新遷移的GBs上，與由向外驅(qū)動的擴散誘導的晶界遷移(DIGM)有關。并且發(fā)現(xiàn)，在較高的H2蒸汽環(huán)境溫度可以促進PIO和DIGM的發(fā)展。而在低壓H2蒸汽環(huán)境下和應力腐蝕開裂(PWSCC)相關的氧化電位范圍內(nèi)，沿著晶界應力腐蝕開裂主要表現(xiàn)為擴散誘導的晶界遷移(DIGM)以及Al和Ti的富集。相關論文以題為“Correlation between Grain Boundary Migration and Stress Corrosion Cracking of Alloy 600 in Hydrogenated Steam”于1月15日發(fā)表在Acta Materialia。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.01.020

600合金等鎳基合金材料廣泛應用于壓水堆核電廠一回路系統(tǒng)構件，隨著長期運行，發(fā)現(xiàn)很多部位件出現(xiàn)了應力腐蝕開裂的嚴重現(xiàn)象。因此PWSCC是影響核電站長期運行的主要問題之一。在這項工作中，研究人員將固溶退火(SA)合金600試片放置在專門制造的4點彎曲工具中，該工具能夠在接近Ni/NiO轉(zhuǎn)變的不同氧化電位范圍內(nèi)對樣品施加有效載荷。利用分析電子顯微鏡詳細研究了其氧化行為，并對其氧化行為進行了分析。
 

圖1. 低壓蒸汽H2環(huán)境系統(tǒng)示意圖

SE圖顯示了在不同氧化電位下480℃的H2蒸汽環(huán)境中暴露120h的應變樣品的表面氧化形態(tài)。由于樣品已經(jīng)過塑性變形，因此在所有凸出面上都可以看到新出現(xiàn)的滑動臺階，并且發(fā)現(xiàn)凸出面上均均勻地覆蓋有連續(xù)的氧化層和細小的晶間裂紋。
 

圖2. 彎曲試驗下的表面SE形貌：(a，c，e，g)為低倍率照片，(b，d，f，h)為高倍率SE照片

通過制備測試的樣品FIB橫截面來研究每個晶粒沿晶界的晶間氧化和裂紋行為，如圖所示。裂紋發(fā)生在開始GBs處和PIO中沿新遷移的GB位置。對于暴露在水中的樣品，其中裂縫位于PIO中沿新遷移的GB上。
 

圖3. 不同環(huán)境條件下測試的應變樣品的接近GB的區(qū)域的SE-FIB橫截面圖像

圖4顯示了裂紋尖端以外晶界處的Al和Ti富集，從而證實首先出現(xiàn)PIO，然后SCC裂紋才開始出現(xiàn)。結合HAADF STEM圖像和相應的STEM-EDX元素圖，分析確定了沿晶間SCC“原始裂紋”和未裂紋遷移的GB的Al/ Ti氧化物“核”。具有可移動晶界的協(xié)同作用的這種局部偏析可能是導致O和Cr擴散性增強的原因，并且還可能促進氧化物斷裂，從而引發(fā)裂紋。
 

圖4. HAADF STEM圖像和相應的STEM-EDX元素圖

提出了一種改進的機制，以便更好地詳細描述600SA合金的SCC早期階段，如圖5所示。圖5a顯示了OPS600SA合金暴露于氧化環(huán)境之前的HAGB的代表性橫截面的晶間M23C6碳化物。在暴露于H2蒸汽環(huán)境的早期，形成了外部的富Cr氧化層，并且Cr的擴散導致GB橫向遷移(如圖5b)。由于外部富鉻氧化物的納米晶性質(zhì)，氧可以優(yōu)先沿著新遷移的GB擴散，它可以氧化Al、Ti和Cr，形成PIO(如圖5c)。PIO可能被Cr氧化促進的GB遷移率和富含Al和Ti的非共格氧化物的形成的協(xié)同效應所“增強”。在施加的拉應力下，氧化物會以脆性方式斷裂，并使金屬暴露在進一步的氧化和開裂中(如圖5d和e)。
 

圖5. 600 SA合金裂紋演化階段示意圖

通過合金600SA試樣暴露在480°C/120h的低壓過熱H2蒸汽環(huán)境中，以研究PIO和DIGM在與PWSCC相關的環(huán)境中的SCC早期階段作用，并利用一系列互補的分析顯微鏡技術，發(fā)現(xiàn)鎳基合金應力腐蝕開裂不是單一主導機制，而是DIGM與富Al、Ti氧化物形成的協(xié)同作用，促進了在外加應力作用下發(fā)生斷裂的PIO。該項技術的研究有望推動鎳基合金或鎳基超合金的快速發(fā)展與應用，尤其是鎳基合金在廣泛關注的航天航空發(fā)動機的渦輪葉片等領域的突破。