以∑3晶界替代自由晶界来提高多晶材料的沿晶开裂抗力，提高其耐晶间腐蚀性能和抗应力腐蚀能力，是晶界工程的核心思想，已在奥氏体不锈钢等材料中被验证为行之有效的方法。近年，特殊环境材料课题组氢能材料技术团队将该方法应用于铁基合金（J75），通过引入高比例∑3晶界增加了合金的氢致沿晶开裂抗力，显著提高了其抗氢脆能力（Materials Science and Engineering: A, 780, 2020）。IN718被认为是最有可能用于氢能领域高压氢环境中的镍基合金，是否可基于上述晶界工程理念，通过引入高比例∑3晶界来提高合金的抗氢脆能力，推动其作为结构材料在氢能领域的应用，是目前亟待解决的问题。基于此，该团队以IN718合金为对象，开展了∑3晶界在IN718合金氢脆行为中的作用机制研究，结果发现，氢致裂纹可在∑3晶界处会萌生，但所形成的裂纹并不沿该类晶界扩展（图1），既∑3晶界在IN718合金中具有双重作用，这使得通过晶界工程提升IN718合金抗氢脆能力的效果并不显著（氢损伤程度仅降低约10%，而铁基合金可达40-50%）。进一步研究证实，上述现象的原因在于：部分∑3晶界在时效过程中析出了 ''/ ′伴生相和小尺寸 ′相（图2），在氢和应力的共同作用下，氢致裂纹的会优先在这些 ″/ 和 ″/ ′相界面处萌生；相应的，∑3晶界上未有相析出的部分具有较好的结合强度，可抑制氢致裂纹的扩展（图3）。相关研究成果 “Role of precipitates-decorated 3 twin boundaries on hydrogen-induced crack initiation and propagation in Ni-based superalloy 718”于4月15日在线发表于Corrosion Science上。 

图1. (a) IN718试样拉断后∑3晶界附近的滑移形貌SEM图；(b) IN718试样变形量为0.2%时的KAM图。

图2. ∑3晶界及基体内强化相的HAADF-STEM图像。(a, b)双级时效样品；(c)局部放大区域及对应的EDS能谱；(d) 过时效样品∑3界面上 ''和 ′相分布。

图3. 含强化相的∑3晶界对氢致裂纹萌生和扩展影响示意图

 

（核用特种合金研究组 供稿）