比較FeCrAl合金顯微組織腐蝕方法

新型核燃料技術(shù)創(chuàng)新研究可以進(jìn)一步提高反應(yīng)堆的安全性，該核燃料稱為耐事故燃料(ATF)。盡管FeCrAl合金的宏觀中子吸收截面面積要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋯合金，但FeCrAl合金在嚴(yán)重事故下具有良好的耐腐蝕性、優(yōu)越的高溫力學(xué)性能以及抗輻照損傷能力，F(xiàn)eCrAl合金被列為ATF包殼研發(fā)的候選材料之一。

FeCrAl合金是一種典型的具有體心立方結(jié)構(gòu)的鐵素體不銹鋼合金材料，該合金具有優(yōu)越的抗高溫氧化性，常用于電加熱元件中。為了獲得更優(yōu)異的綜合性能，并應(yīng)對反應(yīng)堆復(fù)雜、惡劣的使用工況，需要在傳統(tǒng)的FeCrAl合金基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化合金成分。目前，合金成分優(yōu)化的原則是在原有合金成分的基礎(chǔ)上添加各種合金元素，以大幅提高其力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性、耐腐蝕性能等。由于FeCrAl合金化程度逐漸提高，因此對FeCrAl合金顯微組織進(jìn)行研究具有深刻的意義。

采用化學(xué)腐蝕法將金相試樣的顯微組織特征顯示出來是最簡單、直接的檢測方法。為了對FeCrAl合金顯微組織的腐蝕方法進(jìn)行研究，研究人員對比分析了不同腐蝕方法對退火態(tài)FeCrAl合金管材顯微組織的顯示效果，提出了適用于不同需求的腐蝕方法。

試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料選用Fe12Cr4Al2Mo合金管材，管材的成型工藝為：鍛棒經(jīng)擠壓成管坯后，再經(jīng)過多道次冷軋及中間管退火，中間管退火速率均為800℃/h。管材外徑為19mm，壁厚為1mm。

所有試樣均截取自同一支管材的相鄰部位，試樣長度約為20mm。按 ASTM E3-11(2017)《金相試樣制備標(biāo)準(zhǔn)指南》制備縱向金相試樣，對試樣縱截面依次進(jìn)行粗磨、細(xì)磨和拋光，直至截面呈現(xiàn)光滑鏡面的狀態(tài)。不同的腐蝕方法如表1所示，將試樣放入對應(yīng)的腐蝕溶劑中進(jìn)行腐蝕，腐蝕完成后及時采用丙酮超聲清洗試樣，最后吹干試樣表面。采用表1中的不同腐蝕方法進(jìn)行了4組試驗(yàn)，從每組試驗(yàn)中挑選出具有代表性的1~4號試樣進(jìn)行對比，表1中VHF、VHNO3、VH2O分別為HF、HNO3、H2O的體積分?jǐn)?shù)，VHCl為HCl的體積分?jǐn)?shù)。采用光學(xué)顯微鏡觀察試樣的晶粒形貌，用掃描電鏡(SEM)觀察試樣的顯微組織形貌。

試驗(yàn)結(jié)果與討論

1、光學(xué)顯微鏡下的晶粒形貌

不同腐蝕方法腐蝕后試樣晶粒的微觀形貌如圖1所示，退火后管材具有等軸晶粒組織，平均晶粒度為6.5級。

將4種不同腐蝕方法腐蝕試樣的典型晶粒形貌進(jìn)行對比可知：1號試樣經(jīng)腐蝕后晶界不明顯;2，3，4號試樣經(jīng)腐蝕后可見晶界清晰、明顯的鐵素體組織，晶界顯示為黑色，這主要是因?yàn)榫Ы缣幵优帕胁灰?guī)則，缺陷及雜質(zhì)較多，且晶界具有較高的自由能，在化學(xué)腐蝕過程中優(yōu)先溶解，呈現(xiàn)凹陷或者沉積反應(yīng)著色，在光學(xué)顯微鏡下觀察，光線在晶界處被散射而不能在物鏡中顯示。

1號試樣的腐蝕時間短，操作過程中又極易腐蝕時間過長，腐蝕進(jìn)度難以把握,成功率極低。由圖1a)可知：晶界不明顯,局部區(qū)域未能有效腐蝕，對晶粒結(jié)果的評級造成干擾;鐵素體在光學(xué)顯微鏡下呈白色，局部晶粒因過度腐蝕，呈深色。在該種腐蝕方法下，晶界未能優(yōu)先腐蝕，晶內(nèi)組織和晶界同時受到腐蝕，導(dǎo)致兩者之間無明顯界限。該種腐蝕方法造成了晶粒腐蝕現(xiàn)象，這主要是因?yàn)楦骶ЯＮ幌虿煌?，各晶粒的腐蝕平面和腐蝕前的晶粒初始平面傾斜角度不同，在光學(xué)顯微鏡下呈現(xiàn)出明暗襯度不一的晶粒。一般情況下，原子密排面優(yōu)先腐蝕并被溶解，故其晶粒顏色深。另外，在實(shí)際操作過程中，晶內(nèi)組織經(jīng)腐蝕后產(chǎn)生的較多腐蝕產(chǎn)物在腐蝕平面上堆積，極易污染試樣表面。

2號試樣經(jīng)腐蝕后，鐵素體在光學(xué)顯微鏡下呈白色，局部晶粒呈淺灰色。由于不同取向晶粒的耐腐蝕能力不同，2號試樣局部晶粒受腐蝕后產(chǎn)生高度差，在光學(xué)顯微鏡下顯示為明暗襯度不一致。

3號試樣和4號試樣經(jīng)腐蝕后，鐵素體在光學(xué)顯微鏡下均呈白色。3號試樣在光學(xué)顯微鏡下局部晶界顏色較深且具有一定的寬度，在更高的放大倍數(shù)下觀察，結(jié)果如圖2所示。如果使用3號試樣的腐蝕方法，在低倍下觀察晶粒形貌時，晶界容易產(chǎn)生存在有害相的假象。4號試樣是在沸騰腐蝕溶劑中熱蝕制備而成，晶界在熱蝕過程中脫落，晶界處下凹形成溝壑，故晶界在光學(xué)顯微鏡下呈現(xiàn)明顯的黑色。

對比4種不同的腐蝕方法，僅從晶粒度評級角度選擇，2，3，4號試樣的腐蝕方法均可，優(yōu)選4號試樣的腐蝕方法，該方法無晶界及晶粒明暗的干擾，晶粒度評級照片更清晰，且實(shí)際操作更簡單。

2、顯微組織形貌

采用掃描電子顯微鏡觀察不同腐蝕方法腐蝕4個試樣的顯微組織形貌，其典型的SEM形貌如圖3所示。由圖3可知：4種不同腐蝕方法得到的顯微組織形貌都很清晰，其中1，2，3號試樣的鐵素體組織內(nèi)均存在細(xì)小彌散分布的顆粒狀第二相，在掃描電子顯微鏡下呈白色，通過能譜分析，推測可能是Fe2Mo系Laves相。Mo元素和Nb元素可以在基體中形成彌散分布且穩(wěn)定的 Fe2M型Laves相，并且Fe2Nb、Fe2Mo可以顯著提高FeCrAl合金的拉伸性能和熱穩(wěn)定性能。

通過對經(jīng)4種不同腐蝕方法腐蝕的 FeCrAl合金典型SEM 形貌進(jìn)行對比可知：1號試樣可見清晰的晶界，局部晶粒因過度腐蝕，腐蝕平面上殘留的蝕坑尖端凸起位置在掃描電子顯微鏡下呈現(xiàn)白色光點(diǎn)，這將會影響第二相的觀察和判定，腐蝕平面與原來的平面呈現(xiàn)不同的傾斜角度;2號試樣也可見清晰的晶界，局部晶粒也受到晶面腐蝕，與1號試樣晶面腐蝕相比，2號試樣受到的腐蝕更嚴(yán)重，2號試樣中第二相與基體未形成較強(qiáng)的明暗襯度，在相同的放大倍數(shù)下,第二相不易觀察和識別;3號試樣經(jīng)腐蝕后，其晶界與晶粒間形成明顯臺階，部分第二相與基體形成較強(qiáng)的明暗襯度，第二相在掃描電子顯微鏡下呈現(xiàn)白色球狀顆粒，從其SEM形貌中也可以觀察到不同晶粒存在位向差別;4號試樣的晶界已發(fā)生腐蝕并形成溝壑，大多數(shù)的第二相在腐蝕過程中脫落，僅極個別第二相殘留。

對比4種不同的腐蝕方法，從晶界分析角度選擇，優(yōu)選1，2號試樣的腐蝕方法，這兩種方法可以對其晶界放大后進(jìn)行進(jìn)一步分析;僅從第二相分析角度選擇，優(yōu)選3號試樣的腐蝕方法，由于第二相與基體之間有較強(qiáng)的明暗襯度，故第二相能被更清晰識別出來。4號試樣的晶界和晶內(nèi)第二相均在熱蝕過程中脫落，其腐蝕方法不適用于觀察合金的顯微組織。

結(jié)論

經(jīng)對比分析，以上4種腐蝕方法具有各自的腐蝕效果和優(yōu)缺點(diǎn)，廣大科研人員可根據(jù)自身需求和實(shí)驗(yàn)室的條件，選擇不同的腐蝕方法。

（1）退火后FeCrAl管材組織為典型的等軸鐵素體晶粒，采用文中所述的4種化學(xué)腐蝕方法均可得到該組織，優(yōu)選鹽酸+水混合溶液的熱蝕方法，得到的顯微組織形貌無晶界及晶粒明暗的干擾，晶粒度評級照片更清晰，且實(shí)際操作更簡單。

（2）退火后FeCrAl管材組織為鐵素體+細(xì)小彌散分布的顆粒狀第二相。從晶界分析角度選擇，優(yōu)選三氯化鐵+鹽酸乙醇混合溶液和三氯化鐵+鹽酸混合溶液的腐蝕方法，這兩種方法可以對晶界放大后進(jìn)一步分析;僅從第二相分析角度選擇，優(yōu)選氫氟酸+硝酸混合溶液的腐蝕方法。