镍基、铁镍基合金油井管第二相的演变及其对耐蚀性的影响

镍基、铁镍基耐蚀合金作为油套管材料在高含硫条件下会由于第二相析出而导致局部腐蚀。管材制造企业通过在成分上降碳增镍、工艺上提高最终的固溶处理温度等方法来消除第二相的存在，但这不仅对管材成形设备和制备工艺要求较高、使管材制造成本增加，而且还会导致合金的组织晶粒粗大、塑韧性降低、后续冷加工困难等诸多问题。申请人认为，适当放宽管材成型工艺要求，有限度地允许第二相的存在，仍然可以满足高含硫环境下的耐蚀能力。要实现这一目的，关键在于建立热加工工艺- - 第二相析出- - 耐蚀性能三者之间的关联机制。基于此，本项目通过开展凝固过程和热加工过程中的第二相析出行为、不同析出状态的组织在高含硫环境下的局部腐蚀性能的研究，并通过上述研究的量化表征，形成热加工工艺-第二相析出-耐蚀性能三者的关联机制，从而为工业生产工艺、开发新型镍基和铁镍基耐蚀合金提供理论指导。

镍基、铁镍基耐蚀合金作为油套管材料在高含硫条件下会由于第二相析出而导致局部腐蚀。本项目开展凝固过程和热加工过程中的第二相析出行为、不同析出状态组织对局部腐蚀性能影响的研究。.研究发现028合金凝固过程中溶质偏析富集导致离异共晶反应，形成大尺寸一次析出相，过程受界面溶质扩散动力学因素控制，根据凝固固相与残余液相溶质扩散行为，建立了第二相体积分数及尺寸随冷速演化的预测模型。热加工过程中，二次析出相存在由晶界析出向晶内析出转化的两个阶段，析出过程中随驱动力增加扩散激活能减小，建立了预测028合金第二相析出速率模型，提出了合金化抑制晶界析出机制。建立了析出相形成过程中由于错配导致应变能的演化以及在有限弹塑性母相内，错配析出相形成动力学解析模型。研究了均匀化过程、固溶过程中的第二相溶解，将单粒子溶解模型与多粒子转变的JMA模型相结合，根据析出相几何特征，利用等效初始浓度、等效初始半径进行修正，建立了预测028合金中析出物的溶解模型，进一步引入变形缺陷降低扩散激活能，解析热变形对028合金析出相溶解过程的影响。最后，研究了热挤压过程中的动态再结晶行为，确定了变形参数对028合金再结晶形核/生长的影响规律，并绘制能耗图优化了热加工工艺。.研究发现028、310S合金中析出相/基体界面会形成贫Cr富C区，确定了M23C6、σ/基体界面贫Cr富C区的形成机制。明确了局部腐蚀敏感性与析出物尺寸、贫Cr富C程度之间的关系，发现大尺寸一次析出物易导致严重局部腐蚀，需要消除。根据局部腐蚀扩展特征，确定析出物/界面C富积对局部腐蚀的影响更大。拓展了耐蚀合金贫Cr区理论。通过第一性原理计算，发现析出相与基体电偶电位能显著增加空位迁移速率，加速局部溶解。同时高含硫环境腐蚀研究确定了析出相尺寸与点蚀敏感性之间的相关性，环境参数中温度是最重要腐蚀影响因素。最后确定了析出物对高含硫工况应力腐蚀敏感性的影响以及028、310S合金的氢脆型应力腐蚀开裂机制。.基于上述两部分研究，建立了热加工工艺-第二相析出-耐蚀性能三者的关联机制，即：热加工过程参量决定了析出物形核和生长机制，不同析出物决定了局部腐蚀萌生扩展机制，通过热加工调控析出物，能够消除局部腐蚀。进而建立了028、310S合金的析出物尺寸、腐蚀温度以及局部腐蚀敏感性关系云图，确定出镍基、铁镍基耐蚀合金在满足耐蚀性能前提下允许存在的临界析出相尺寸。