微合金元素高温合金力学性能的影响范文

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摘要：针对某企业生产的Inconel600镍基高温合金管材，采用热处理工艺对未添加弥散强化元素的高温合金管材进行性能优化，未达标国家标准要求，通过力学试验、光学显微镜、扫描电子显微镜、能谱分析等手段分析了力学性能不合的原因，再添加Ti、Al等弥散析出强化元素，该合金的力学性能全部达到了国家标准。

关键词：微合金元素；析出相；高温合金；薄壁管

Inconel600是Inconel公司早期研发的Ni-Cr-Fe基固溶合金，具有良好的耐高温腐蚀、抗氧化性能和优良的冷热加工焊接性能，在700℃以下具有较高的热强性和塑性。被广泛用于航空航天、石油化工领域。合金可以通过冷加工得到强化，也可以用电阻焊、溶焊或钎焊连接，适宜制作在1100℃以下承受低载荷的抗氧化零件。具有良好的耐还原、氧化、氮化介质腐蚀的性能；在室温及高温时都具有较好的耐应力腐蚀开裂性能；具有耐干燥氯气和氯化氢气体腐蚀的性能；在零下、室温及高温时都具有很好的机械性能[1]。相近牌号的合金有GH3600、GH600(中国)、NC15Fe(法国)、UNSN06600(美国)等，执行标准：UNSN06600，DIN/EN2.4816，ASTMB168，ASMESB-168，AMS5540，NCF600。主要应用领域有：①侵蚀气氛中的热电偶套管；②氯乙烯单体生产：抗氯气、氯化氢、氧化和碳化腐蚀；③铀氧化转换为六氟化物：抗氟化氢腐蚀；④腐蚀性碱金属的生产和使用领域，特别是使用硫化物的环境；⑤用氯气法制二氧化钛；⑥有机或无机氯化物和氟化物的生产：抗氯气和氟气腐蚀；⑦核反应堆；⑧热处理炉中曲颈瓶及部件，尤其是在碳化和氮化气氛中；⑨石油化工生产中的催化再生器在700℃以上的应用中推荐使用合金GH3600以获得较长的使用寿命。

1工艺及性能

合金采用真空熔炼→电渣重熔工艺→锻造→穿孔→冷轧→退火→酸洗的工艺流程。成品管尺寸为φ25.4*2mm，采用如表1所示工艺1进行退火试验。试验完成后发现材料的抗拉强度和屈服强度均不满足国标GB/T14992的技术要求，如表2所示。参考西部金属材料股份有限公司[2，3]及相关手册[4]的内容，制定了工艺2、工艺3、工艺4的热处理实验方案，同时控制退火间道次加工率，以保证成品管材的晶粒度均匀，退火间总加工率50%~65%。退火工艺详见表1。退火后的力学性能如表2所示，可以看出降低退火温度后，Inconel600合金薄壁管的抗拉强度得到了一定的提升，不同退火时间下的试样均达到了国标要求，但是屈服强度均不满足标准要求。为了进一步提高屈服强度，采用了工艺5进行试验，抗拉强度得到了显著提升，比1050℃提高了56MPa，但是屈服强度提高不明显，仍不能满足标准要求。

2原因分析

2.1纯净度分析该合金电渣重熔采用以CaF2为基础，配入适当的Al2O3、CaO、MgO、TiO2等氧化物的五元渣系[5]。从电渣重熔后合金成分表3中2#样和真空熔炼合金成分表3中1#，电渣重熔后Fe、Cr、Ni等主合金元素含量未发生明显变化，P、N含量变化不大，渣系具有明显的脱硫效果，S含量由12ppm降到了4ppm，而O含量由20ppm增加到了46ppm。从该合金的金相分析中可以看出，该渣系添加后对高温合金的洁净度有明显的提升，如图1所示。真空熔炼后B类夹杂物2.5级，D类夹杂物1级，Ds类夹杂物2.5级，电渣重熔后B类夹杂物消失，D类夹杂物0.5级，Ds类夹杂物1级。证明合金的纯净度完全能满足各项性能要求。

2.2力学性能分析从表2中可以看出，退火温度决定了抗拉强度的高低，对比工艺1和工艺2退火温度由1050℃降低到970℃后，抗拉强度增加了43MPa。而冷却方式对强度影响不明显，如工艺5和工艺2相比，抗拉强度仅增加了12MPa，屈服强度仅增加了3MPa。工艺2、工艺3、工艺4之间是不同退火时间的对比，可以看出随着退火时间的增加抗拉强度降低的比较小，延伸率增加的也不多，但退火时间为30min试样要比退火时间为10min试样的屈服强度低了29MPa，说明缩短退火时间对提高屈服强度有一定的作用，但不能达到国标要求。同时也验证了退火温度对Inconel600高温合金力学性能的影响高于退火时间，这与太原科技大学龚豹[6]和宝山钢铁股份有限公司欧新哲[7]等人的结论一致。由以上分析得出退火温度970℃+退火时间为10min+水冷是最优的退火工艺。固溶强化合金元素固溶于基体金属中造成一定程度的晶格畸变从而使合金强度提高的现象。融入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加[8]。而本合金在三种970℃空冷工艺下均发生了滑移，图2-b中2、3、4曲线出现了明显的屈服平台，说明位错的阻力不够，合金强化效果不足，Cr和Ni作为置换固溶体引起的晶格畸变不足以提高合金屈服强度，需要其他的强化方式进行弥补。表3Inconel600化学成分分析2.3金相组织观察观察金相照片发现（如图3），在1050℃退火时晶粒尺寸过于粗大，降低到970℃晶粒尺寸明显减小，平均晶粒尺寸由157µm降至20µm~67µm。随着退火时间的延长平均晶粒尺寸逐步由20µm增加至67µm。因为管壁较薄，空冷和水冷的晶粒度区别不大，如图3-b和图3-e所示。工艺4（图3-d）的晶界尺寸是工艺2（图3-b）3倍，但力学性能变化不大，说明晶界强化效果不能明显提高Inconel600的合金强度。

3性能优化

为了提高Inconel600合金的屈服强度，对合金中添加C、Ti、Al元素，以形成弥散析出相，从而达到二次强化的目的。为了提高该合金的抗晶间腐蚀性能，化学成分要求Ti/C大于12[9]。Al元素的添加可以提高高温合金的拉伸性能，其含量一般控制在0.30%以下，过高则会恶化材料的性能，即使在0.30%以内，其性能变化也较大[10]。根据以上分析制备新的合金成分如表1中的3#样品所示，试样制备工艺与前面一致，最终热处理工艺为退火温度970℃，退火时间为10min，水冷。性能完全满足国标要求。添加C和Ti元素后，在熔炼过程中形成的Ti（C，N）析出相，Al促进组织中η相的产生[11]。Inconel600合金管经970℃保温10min水冷，在这个温度区间碳化物和氮化物已经大部分固溶，两者作为析出相均弥散分布在晶界内部[12]，析出物以块状、椭球状及点状且以弥散分布的细小Ti(C，N)颗粒为主，其尺寸在100nm左右，能起到明显的析出强化作用[13]。在变形过程中，这些相界面会阻碍位错的滑移，从而使材料得到了强化。4结论固溶强化高温合金Inconel600单纯的添加Fe、Cr、Ni等主元素，通过热处理工艺强化，强化的原理为固溶强化和晶界强化，但两种强化方式并不能满足国标的对该合金力学性能的要求，通过添加Ti、Al等弥散析出强化微合金元素，形成Ti（C，N）和η相等析出强化相，才能满足国标的相关指标。高温合金薄壁管最优热处理工艺为退火温度970℃，退火时间为10min，空冷。

参考文献

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[2]武杰,孙毅,王艳.航天用GH3600合金管材生产工艺优化[J].热加工工艺,2016,45(01):145-6.

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[12]郭友庄.GH600合金管材析出相分析[J].特钢技术,2008,03):45-7.

[13]曹宇.Incoloy800H合金热加工过程中微观组织演变和力学性能研究[D];东北大学,2016.

作者：高鑫 单位：无锡隆达金属材料有限公司