《Surface and Coatings Technology》：Dual-purpose slurry aluminizing: simultaneous protective coating formation and Grade 2 conversion of Inconel 625
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摘要在采用熔盐技术的下一代工业应用中部署IN625合金面临的主要挑战在于，要实现表面耐腐蚀性和基体高温蠕变强度，需要进行截然不同的、耗时的热处理工艺。本研究探索了一种新颖的单步方法，通过将有限源浆料铝化处理与标准细晶基体的原位固溶退火（1级至2级转化）相结合，以克服这一局限性
摘要
在采用熔盐技术的下一代工业应用中部署IN625合金面临的主要挑战在于，要实现表面耐腐蚀性和基体高温蠕变强度，需要进行截然不同的、耗时的热处理工艺。本研究探索了一种新颖的单步方法，通过将有限源浆料铝化处理与标准细晶基体的原位固溶退火（1级至2级转化）相结合，以克服这一局限性。涂层在空气中进行处理，在1080°C至1200°C的温度范围内保温60分钟。研究表明，在1170°C和1200°C下的处理成功驱动了微观结构的转化，实现了ASTM 2.5级（135 μm）的晶粒尺寸。尽管转化温度极高，浆料工艺中有限的铝沉积量仍确保了外延生长的β-NiAl的结构稳定性。此外，表面α-Al2O3层的受热生长起到了铝库的作用，驱动外层发生重建性相变，从AlCr2转变为立方α-Cr(Al)固溶体。与此同时，互扩散区（IDZ）捕获了被排斥的难熔元素并重新析出MC碳化物，有效地起到了扩散屏障的作用。最终，这种耦合方法提供了一种高效策略，可以同时实现环境保护和微观结构优化。
引言
Inconel 625（IN625）是一种镍基高温合金，因其优异的机械强度[5]、出色的加工性能、焊接性[6]和耐腐蚀性[7]，被广泛应用于化学加工[1]、电力生产[2]、航空航天[3]和核工业[4]领域。根据热处理方式的不同，该合金通常以两种冶金状态使用，如ASTM B 443标准所述：标准退火状态（1级），具有细晶结构；固溶退火状态（2级），具有粗晶结构，提供优异的蠕变和断裂抗力[8]。从工业角度来看，1级IN625的成本效益显著高于2级，且供应更为充足。幸运的是，1级IN625可以通过特定的固溶退火热处理转化为2级。
新型工业应用的发展，特别是第四代熔盐堆（MSR）的快速推进，需要能够承受极端条件的结构材料，包括高温蠕变抗力和熔盐耐腐蚀性。目前，2级Inconel 625正在被视为开发MSR的最佳结构材料选项之一，因为其在高温下具有理想的性能。然而，长时间暴露于熔盐中会导致合金在氯化物[9]、[10]和氟化物[11]、[12]中发生严重腐蚀。对于IN625等镍基高温合金，由于在熔融氯化物和氟化物中晶界处铬的贫化，常常观察到晶间腐蚀，导致材料在晶界处发生加速且不可接受的劣化。
为缓解这种劣化，应用保护涂层被认为是除控制盐化学性质和纯度[13]外最有前景的策略之一。氧化铝是保护Inconel 625免受熔盐腐蚀、特别是在熔融氯化物中[14]的最佳涂层候选材料之一。与航空航天行业中通常用于保护受高温氧化和腐蚀部件的方法类似，对2级Inconel 625进行铝化处理被认为可以在基体表面形成一层薄薄的α-氧化铝（α-Al2O3）[15]。这种氧化物以其对熔融氯化物的优异抗蚀性而闻名[16]、[17]。因此，对合金进行铝化处理以创建金属间铝储备库，从而在长时间维持α-氧化铝层的形成，是一种经过验证的缓解高温劣化的方法[15]。此外，在材料表面形成α-Al2O3层对MSR尤其具有重要意义，因为它可以充当裂变产物和其他放射性元素的扩散屏障[18]。例如，众所周知，熔盐堆实验（MSRE）中碲的析出导致了其结构材料Hastelloy N通过晶间开裂发生碲腐蚀[19]。
虽然这种涂层可以通过多种方法施加，包括化学气相沉积（CVD）[20]、包埋渗镀[21]或热浸镀[22]，但本研究重点关注浆料铝化处理[23]。该方法是一种简单且具有成本效益的方法，只需将铝粉与有机或水性粘合剂混合并施加即可。需要热处理以促进铝的内扩散和镍的外扩散，从而创建金属间储备库[24]。已证明通过"闪蒸铝化"工艺可显著缩短热处理时间[25]、[26]。这一创新方法仅需一次约5分钟的高温保温，与传统通常持续6至12小时并涉及多个中间保温步骤的处理相比，大幅缩短了总加工时间[27]。此外，该工艺可在空气氛围中进行，消除了对氩气等复杂且昂贵的惰性环境的需要[26]。至关重要的是，这种空气氛围处理促进了在金属间涂层生长过程中同时形成保护性的α-Al2O3层，从而消除了单独进行预氧化处理的必要。
这些铝化物涂层主要由β-NiAl金属间化合物组成，该化合物以B2立方结构结晶，构成外层[28]。外层通常包含一个富析出物区，含有在β-NiAl基体中不可溶的元素，如铬或钼[29]、[30]，其下方为一个无析出物区[31]。在最极端表面，金属基体顶部形成致密紧实的氧化铝层[24]。未反应的浆料残留物（顶涂层）也存在，但通常在处理后去除[32]。最后，在涂层与基体界面处，难熔元素的排斥导致在所谓的互扩散区（IDZ）内析出各种二次相[33]。这些相主要包拓扑密堆（TCP）相、MC碳化物和α-Cr固溶体[28]。该典型涂层结构的示意图见图1。
然而，如此短暂的处理不足以将1级IN625基体的微观结构转化为2级。此外，虽然ASTM B 443标准要求固溶退火温度必须超过1093°C，但传统的"闪蒸铝化"处理通常在1080°C或以下进行。在标准制造路线中，生产带涂层的2级组件因此需要进行两次截然不同的高温处理：一次用于微观结构转化，另一次用于铝化处理。从工业角度来看，这种双步方法效率极低，增加了生产时间和能源成本。
为克服这些缺陷，本研究探讨了同时对1级Inconel 625进行涂层处理和转化为2级的可行性。受"闪蒸铝化"简便性的启发，这一新方法依赖于一次高温保温，将保温时间战略性地延长至60分钟，在较高温度下进行以确保完全实现微观结构转化。最终，将两种热处理合并为单一步骤，高效地优化了2级涂层组件的生产，提供了一种极具成本效益且节省时间的工业解决方案。
章节摘要
材料与方法
采用Inconel 625（VDM? Alloy 625，VDM Metals，德国韦尔登霍尔）试样，尺寸为10 × 10 × 2 mm3，作为基体。该合金通过μ-XRF测量的标称成分如表I所示，使用配备铼源的BRUKER Tornado M4和SDD 5030检测器进行测量。在原始状态下，合金的平均晶粒尺寸为30.5 ± 3.6 μm，如图2中的SEM显微照片所示。在进行涂层处理之前，试样使用SiC P180砂纸进行研磨，以创建足够的表面...
参考闪蒸涂层的表征
图3a展示了在1080°C下保温5分钟进行参考闪蒸铝化处理的横截面光学显微照片。
涂层中含有来自基体的原始碳化物（见黑色斑点），并均匀覆盖基体，没有明显的宏观缺陷，如剥离或开裂。然而，表面相对粗糙（5.45 ± 0.60 μm）。这在浆料涂层中通常可以观察到，是因为工艺中的熔融步骤所致[24]，特别是在短铝化步骤之后...
IN625基体的微观结构转化
将热处理从5分钟延长至60分钟的主要目标是实现Inconel 625基体从1级到2级的涂层形成与微观结构转化的同步进行。图5中展示的晶粒尺寸测量结果表明，这种转化高度依赖于退火温度。
在1080°C下保温5分钟的参考闪蒸处理过程中，基体保持细晶结构（35.7 ± 3.6 μm）。Inconel 625的晶粒生长...
结论
本研究成功证明了将浆料铝化工艺与Inconel 625基体从1级到2级的原位微观结构转化相结合的可行性。通过将高温保温时间延长至60分钟并在空气氛围中进行处理，保护性铝化物涂层的形成和高温合金的固溶退火得以同步实现。主要研究结果总结如下：
CRediT作者贡献声明
Noé Charrier：撰写 – 审阅与编辑、可视化、调查、形式分析、数据管理。Hanae El Aoudi：撰写 – 审阅与编辑、形式分析。Cédric Pattyn：撰写 – 审阅与编辑、方法论、概念构思。Christelle Rébéré：撰写 – 审阅与编辑、调查。Fernando Pedraza：撰写 – 审阅与编辑、验证、监督、资源、方法论、资金获取、形式分析、概念构思。
利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能会影响本研究中报告的工作。
致谢
感谢原NAAREA的Fabio Machado Alves da Fonseca和PPrime研究所的Jonathan Cormier，就IN-625的热处理进行了富有成效的讨论。
Noé Charrier|Hanae El Aoudi|Cédric Pattyn|Christelle Rébéré|Fernando Pedraza
法国拉罗谢尔大学LaSIE UMR-CNRS 7356实验室，Avenue Michel Crépeau, 17042, La Rochelle Cedex 1, 法国
