一种面向奥氏体合金的高压气相热充氢方法与流程

1.本发明涉及金属材料的氢行为试验方法领域，具体地说是一种面向奥氏体合金的高压气相热充氢方法。


背景技术：

2.众所周知，氢是自然界中原子半径最小、密度最低的元素，而氢进入金属与合金之中会引起其性能的下降，导致各类氢损伤失效的发生。一般来说，氢损伤不会在服役初期出现，而是具有显著的滞后效应，会在服役过程中逐渐显现，进而严重威胁部件合金的服役安全。较之铁素体和马氏体合金，奥氏体合金的氢溶解度更高而氢扩散系数更低，因而具有更好的耐氢损伤能力，是较多用于高压临氢环境的一类合金。随着国内氢能等领域的发展，高压临氢环境使用材料的安全性问题日益突出，迫切需要开展相关部件合金的可靠性评价工作。
3.应予指出的是，由于氢扩散速率的巨大差异，奥氏体与铁素体和马氏体合金间的氢损伤评价方式是截然不同的。对于铁素体和马氏体合金，由于其高的氢扩散速率，氢可在短时间内进入合金之中，因而可采用在氢环境下进行的拉伸、疲劳和裂纹扩展等手段来评价其耐氢损伤能力；对于奥氏体合金，由于其室温氢扩散速率较铁素体和马氏体合金低了约5个数量级，不能采用氢环境下测试的试验方法(氢很难在有限的时间内进入合金之中，无法获得准确的材料氢损伤数据)，必须预先将氢引入合金之中，随后再采用拉伸、疲劳和裂纹扩展等手段来评价其耐氢损伤能力。


技术实现要素：

4.针对奥氏体合金在高压临氢环境中的长期服役可靠性，本发明的目的在于提供一种面向奥氏体合金的高压气相热充氢方法，在拉伸、疲劳和裂纹扩展等试验前在奥氏体合金中预先引入特定含量的氢，满足该类合金的氢损伤性能评价需求。
5.本发明的技术方案是：
6.一种面向奥氏体合金的高压气相热充氢方法，在保温保压下，对合金进行气相热充氢处理，氢气压力范围在1.0～32mpa，气相充氢温度范围在50～600℃，原始氢气体积纯度不低于99.9％。
7.所述的面向奥氏体合金的高压气相热充氢方法，优选的氢气压力范围在5.0～30mpa，气相充氢温度范围在100～450℃。
8.所述的面向奥氏体合金的高压气相热充氢方法，高压气相充氢的对象仅为奥氏体合金，包括奥氏体不锈钢、奥氏体抗氢合金、高温合金或镍基合金。
9.所述的面向奥氏体合金的高压气相热充氢方法，奥氏体不锈钢为316或304，奥氏体抗氢合金为hr-2或j75，高温合金为in718。
10.所述的面向奥氏体合金的高压气相热充氢方法，所用设备为高压高纯气相热充氢装置，是以lani5的氢化物作为氢气源来实现气相热充氢的。
11.所述的面向奥氏体合金的高压气相热充氢方法，每套高压高纯气相热充氢装置由由一个氢气源、一个初级高压釜、一个次级高压釜、一个高级高压釜、一套真空机组和控制系统组成，具体结构如下：氢气源通过管路连接初级高压釜，初级高压釜通过管路连接次级高压釜，次级高压釜通过管路连接高级高压釜，高级高压釜通过管路连接真空机组，初级高压釜、次级高压釜、高级高压釜、真空机组分别通过线路连接控制系统。
12.所述的面向奥氏体合金的高压气相热充氢方法，为了使氢在合金试样中的均匀性分布，按照如方程(1)计算获得饱和充氢时间，时间不低于计算获得数值，其中：h为合金试样厚度或直径，毫米；t为充氢均匀化时间，秒；d为充氢温度下氢在合金中的扩散系数，通过氢渗透试验测定；
[0013][0014]
所述的奥氏体合金的高压气相热充氢方法，具体充氢过程如下：
[0015]
(1)充氢处理前，合金试样采用石油醚或丙酮进行除油，随后采用无水酒精进行脱水处理，最后进行烘干处理；
[0016]
(2)打开高级高压釜盖，随后将步骤(1)中处理的合金试样放入高级高压釜中、关闭高级高压釜盖和放气阀；
[0017]
(3)关闭氢气源与初级高压釜间的控制阀门，打开初级高压釜、次级高压釜、高级高压釜之间的控制阀门、开启真空机组对整个装置进行抽真空处理，当真空度达到1.0
×
10-2
～1.0
×
10-3
pa后，关闭初级高压釜、次级高压釜、高级高压釜间的控制阀门；
[0018]
(4)打开氢气源与初级高压釜间的控制阀门，输入体积纯度不低于99.9％的氢气，氢压达到0.2～5.0mpa后，关闭初级高压釜与氢气源间的控制阀门，随后加热初级高压釜，温度为50～100℃；
[0019]
(5)打开初级高压釜与次级高压釜间的控制阀门，将初次纯化后的氢气输入次级高压釜，氢压达到0.5～10.0mpa后，关闭次级高压釜与初级高压釜间的控制阀门，随后加热次级高压釜，温度为50～150℃；
[0020]
(6)打开次级高压釜与高级高压釜间的控制阀门，将二次纯化后的氢气输入到高级高压釜，氢压达到0.5～15.0mpa后，关闭高级高压釜与次级高压釜间的控制阀门，随后将高级高压釜加热到设定温度，温度范围在50～600℃，压力范围在1.0～32mpa；
[0021]
(7)将步骤(6)的高级高压釜进行不同时间的保温保压处理；
[0022]
(8)打开高级高压釜盖，将步骤(7)保温保压处理后的充氢合金试样取出。
[0023]
所述的奥氏体合金的高压气相热充氢方法，经高温高压气相热充氢后合金表面呈金属光泽，无充氢缺陷形成。
[0024]
所述的奥氏体合金的高压气相热充氢方法，该方法精确的控制充氢合金试样中的氢含量，按照gb/t 223.82-2018《钢铁氢含量的测定惰性气体熔融-热导或红外法》测定充氢试样的氢含量，氢含量范围在5～60ppm。
[0025]
本发明的设计思想为：
[0026]
氢在奥氏体合金中的室温扩散速率极慢，因而在室温高压氢环境试验的条件下，氢很难进入合金之中，无法获得与合金服役相关的氢损伤性能数据。本发明基于高压高纯气相热充氢装置，利用lani5储氢材料的可逆吸氢-放氢、选择吸收和压力-温度-成分的平
衡特性，以及高温下氢在奥氏体合金中扩散速率迅速提高的特点，结合温度和压力的优化调控，加速氢向奥氏体合金中的渗入，实现奥氏体合金中特定含量氢的预引入，获得具有特定氢含量的合金预充氢试样。
[0027]
本发明的优点及有益效果是：
[0028]
1、本发明的面向奥氏体合金的高压气相热充氢方法，试验压力和温度范围宽，可通过不同压力和温度的组合实现合金试样中特定氢含量控制。
[0029]
2、本发明的面向奥氏体合金的高压气相热充氢方法，即可通过长时试验获得特定温度和压力下试样中氢的均匀分布，也可通过短时试验获得具有氢浓度梯度分布的含氢试样，满足不同的试验要求。
[0030]
3、本发明的面向奥氏体合金的高压气相热充氢方法，综合考虑了氢能等领域的高压临氢环境长时服役工况，以及奥氏体合金低氢扩散速率特点，是接近实际工况的异种充氢方法，且不会形成合金表面的充氢损伤。
附图说明
[0031]
图1为本发明使用的高压高纯气相热充氢装置的结构示意图。图中，1氢气源，2初级高压釜，3次级高压釜，4高级高压釜，5真空机组，6控制系统。
具体实施方式
[0032]
如图1所示，本发明使用的高压高纯气相热充氢装置，每套装置由一个氢气源1、一个初级高压釜2、一个次级高压釜3、一个高级高压釜4、一套真空机组5和控制系统6组成，具体结构如下：氢气源1通过管路连接初级高压釜2，初级高压釜2通过管路连接次级高压釜3，次级高压釜3通过管路连接高级高压釜4，高级高压釜4通过管路连接真空机组5，初级高压釜2、次级高压釜3、高级高压釜4、真空机组5分别通过线路连接控制系统6。
[0033]
其中，氢气源选用氢气体积纯度不低于99.9％的瓶装氢气；初级高压釜的作用是利用初步纯化氢气并一次增压；次级高压釜的作用是二次纯化氢气并提供高压氢气；高级高压釜的作用是提供高温高压高纯氢环境、实现合金试样的加速氢渗入。
[0034]
下面，通过实施例对本发明进一步详细阐述。
[0035]
实施例1:316l奥氏体不锈钢的高压气相热充氢
[0036]
采用高压高纯气相热充氢装置，针对316l奥氏体不锈钢(规格为φ5
×
40mm)进行了250℃、8mpa、14天的气相热充氢，过程为：
[0037]
1、采用石油醚将机加工后规格为φ5
×
40mm的316l奥氏体不锈钢圆棒进行除油处理，之后采用无水酒精进行脱水，随后进行烘干处理；
[0038]
2、打开高级高压釜盖，随后将步骤1中处理的316l合金试样放入高压高纯气相热充氢装置的高级高压釜中、关闭高级高压釜盖和放气阀；
[0039]
3、关闭氢气源与初级高压釜间的控制阀门，打开初级高压釜、次级高压釜、高级高压釜之间的控制阀门、开启真空机组对整个装置进行抽真空处理，当真空度为1.0
×
10-2
～1.0
×
10-3
pa(本实施例为5.0
×
10-3
pa)后，关闭初级高压釜、次级高压釜、高级高压釜间的控制阀门；
[0040]
4、打开氢气源与初级高压釜间的控制阀门，输入体积纯度不低于99.9％(本实施
例为99.99％)的氢气，氢压达到0.2～5.0mpa(本实施例为2mpa)后，关闭初级高压釜与氢气源间的控制阀门，随后加热初级高压釜，温度为50～100℃(本实施例为90℃)；
[0041]
5、打开初级高压釜与次级高压釜间的控制阀门，将初次纯化后的氢气输入次级高压釜，氢压达到0.5～10.0mpa(本实施例为5mpa)后，关闭次级高压釜与初级高压釜间的控制阀门，随后加热次级高压釜，温度为50～150℃(本实施例为100℃)；
[0042]
6、打开次级高压釜与高级高压釜间的控制阀门，将二次纯化后的氢气输入到高级高压釜，氢压达到0.5～15.0mpa(本实施例为5mpa)后，关闭高级高压釜与次级高压釜间的控制阀门，随后将高级高压釜加热到设定温度，温度范围在50～600℃(本实施例为200℃)，压力范围在1.0～32mpa(本实施例为8mpa)；
[0043]
7、将步骤6的高级高压釜进行不同时间(本实施例为14天)的保温保压处理；
[0044]
为了使氢在合金试样中的均匀性分布，可按照如方程(1)计算获得饱和充氢时间，保温保压处理时间不低于计算获得数值，其中：h为合金试样厚度或直径，本实施例为直径5mm；t为充氢均匀化时间，本实施例为13.44天；d为充氢温度下氢在合金中的扩散系数，通过氢渗透试验测定，本实施例为4.29
×
10-6
mm2/s；
[0045][0046]
8、打开高级高压釜盖，将步骤7中经14天保温保压处理后的316l充氢合金试样取出。
[0047]
9、经目视观察，高温高压气相热充氢后316l合金表面呈金属光泽、无发纹等充氢缺陷形成。
[0048]
11、按照gb/t 223.82-2018《钢铁氢含量的测定惰性气体熔融-热导或红外法》测定316l充氢试样中的氢含量，其值为30.8ppm。
[0049]
实验结果表明，采用本发明方法对316l奥氏体不锈钢(规格为φ5
×
40mm)进行了250℃、8mpa、14天的气相热充氢，不会造成其表面的充氢损伤，可以在316l中引入30.8ppm的氢。
[0050]
实施例2：j75合金的高压气相热充氢
[0051]
与实施例1不同之处在于，热充氢的合金为j75合金，充氢的条件为300℃、10mpa、10天。
[0052]
采用石油醚将机加工后规格为φ5
×
40mm的j75奥氏体合金圆棒进行除油处理，之后采用无水酒精进行脱水，随后进行烘干处理；打开高级高压釜盖，随后将烘干处理后的j75合金试样放入高压高纯气相热充氢装置的高级高压釜中、关闭高级高压釜盖和放气阀；关闭氢气源与初级高压釜间的控制阀门，打开初级高压釜、次级高压釜、高级高压釜之间的控制阀门、开启真空机组对整个装置进行抽真空处理，直至真空度为5.0
×
10-3
pa后，关闭初级高压釜、次级高压釜、高级高压釜间的控制阀门；打开氢气源与初级高压釜间的控制阀门，输入体积纯度不低于99.99％的氢气，氢压达到2mpa后，关闭初级高压釜与氢气源间的控制阀门，随后加热初级高压釜至90℃；打开初级高压釜与次级高压釜间的控制阀门，将初次纯化后的氢气输入次级高压釜，氢压达到5mpa后，关闭次级高压釜与初级高压釜间的控制阀门，随后加热次级高压釜至100℃；打开次级高压釜与高级高压釜间的控制阀门，将二次纯化后的氢气输入到高级高压釜，氢压达到5mpa后，关闭高级高压釜与次级高压釜间的
控制阀门，随后将高级高压釜加热到300℃，压力为10mpa；将高级高压釜在这一状态保持10天；打开高级高压釜盖，将经10天保温保压处理后的j75充氢合金试样取出。经目视观察，高温高压气相热充氢后j75合金表面呈金属光泽、无发纹等充氢缺陷形成；按照gb/t223.82-2018《钢铁氢含量的测定惰性气体熔融-热导或红外法》测定j75充氢试样中的氢含量，其值为25.4ppm。
[0053]
实验结果表明，采用本发明方法对j75奥氏体不锈钢(规格为φ5
×
40mm)进行了300℃、10mpa、10天的气相热充氢，不会造成其表面的充氢损伤，可以在j75合金中引入25.4ppm的氢。
[0054]
实施例3：gh4169合金的高压气相热充氢
[0055]
与实施例1不同之处在于，热充氢的合金为gh4169合金，充氢的条件为450℃、30mpa、6天。
[0056]
采用石油醚将机加工后规格为φ5
×
40mm的gh4169合金圆棒进行除油处理，之后采用无水酒精进行脱水，随后进行烘干处理；打开高级高压釜盖，随后将烘干处理后的gh4169合金试样放入高压高纯气相热充氢装置的高级高压釜中、关闭高级高压釜盖和放气阀；关闭氢气源与初级高压釜间的控制阀门，打开初级高压釜、次级高压釜、高级高压釜之间的控制阀门、开启真空机组对整个装置进行抽真空处理，直至真空度为5.0
×
10-3
pa后，关闭初级高压釜、次级高压釜、高级高压釜间的控制阀门；打开氢气源与初级高压釜间的控制阀门，输入体积纯度不低于99.99％的氢气，氢压达到2mpa后，关闭初级高压釜与氢气源间的控制阀门，随后加热初级高压釜至90℃；打开初级高压釜与次级高压釜间的控制阀门，将初次纯化后的氢气输入次级高压釜，氢压达到8.0mpa后，关闭次级高压釜与初级高压釜间的控制阀门，随后加热次级高压釜至120℃；打开次级高压釜与高级高压釜间的控制阀门，将二次纯化后的氢气输入到高级高压釜，氢压达到12.5mpa后，关闭高级高压釜与次级高压釜间的控制阀门，随后将高级高压釜加热到450℃，压力为30mpa；将高级高压釜在这一状态保持6天；打开高级高压釜盖，将经6天保温保压处理后的gh4169充氢合金试样取出。经目视观察，高温高压气相热充氢后gh4169合金表面呈金属光泽、无发纹等充氢缺陷形成；按照gb/t 223.82-2018《钢铁氢含量的测定惰性气体熔融-热导或红外法》测定gh4169合金充氢试样中的氢含量，其值为39.8ppm。
[0057]
实验结果表明，采用本发明方法对gh4169合金(规格为φ5
×
40mm)进行了450℃、30mpa、6天的气相热充氢，不会造成其表面的充氢损伤，可以在gh4169合金中引入39.8ppm的氢。