微合金元素高溫合金力學性能的影響范文

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摘要：針對某企業生產的Inconel600鎳基高溫合金管材，采用熱處理工藝對未添加彌散強化元素的高溫合金管材進行性能優化，未達標國家標準要求，通過力學試驗、光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡、能譜分析等手段分析了力學性能不合的原因，再添加Ti、Al等彌散析出強化元素，該合金的力學性能全部達到了國家標準。

關鍵詞：微合金元素；析出相；高溫合金；薄壁管

Inconel600是Inconel公司早期研發的Ni-Cr-Fe基固溶合金，具有良好的耐高溫腐蝕、抗氧化性能和優良的冷熱加工焊接性能，在700℃以下具有較高的熱強性和塑性。被廣泛用于航空航天、石油化工領域。合金可以通過冷加工得到強化，也可以用電阻焊、溶焊或釬焊連接，適宜制作在1100℃以下承受低載荷的抗氧化零件。具有良好的耐還原、氧化、氮化介質腐蝕的性能；在室溫及高溫時都具有較好的耐應力腐蝕開裂性能；具有耐干燥氯氣和氯化氫氣體腐蝕的性能；在零下、室溫及高溫時都具有很好的機械性能[1]。相近牌號的合金有GH3600、GH600(中國)、NC15Fe(法國)、UNSN06600(美國)等，執行標準：UNSN06600，DIN/EN2.4816，ASTMB168，ASMESB-168，AMS5540，NCF600。主要應用領域有：①侵蝕氣氛中的熱電偶套管；②氯乙烯單體生產：抗氯氣、氯化氫、氧化和碳化腐蝕；③鈾氧化轉換為六氟化物：抗氟化氫腐蝕；④腐蝕性堿金屬的生產和使用領域，特別是使用硫化物的環境；⑤用氯氣法制二氧化鈦；⑥有機或無機氯化物和氟化物的生產：抗氯氣和氟氣腐蝕；⑦核反應堆；⑧熱處理爐中曲頸瓶及部件，尤其是在碳化和氮化氣氛中；⑨石油化工生產中的催化再生器在700℃以上的應用中推薦使用合金GH3600以獲得較長的使用壽命。

1工藝及性能

合金采用真空熔煉→電渣重熔工藝→鍛造→穿孔→冷軋→退火→酸洗的工藝流程。成品管尺寸為φ25.4*2mm，采用如表1所示工藝1進行退火試驗。試驗完成后發現材料的抗拉強度和屈服強度均不滿足國標GB/T14992的技術要求，如表2所示。參考西部金屬材料股份有限公司[2，3]及相關手冊[4]的內容，制定了工藝2、工藝3、工藝4的熱處理實驗方案，同時控制退火間道次加工率，以保證成品管材的晶粒度均勻，退火間總加工率50%~65%。退火工藝詳見表1。退火后的力學性能如表2所示，可以看出降低退火溫度后，Inconel600合金薄壁管的抗拉強度得到了一定的提升，不同退火時間下的試樣均達到了國標要求，但是屈服強度均不滿足標準要求。為了進一步提高屈服強度，采用了工藝5進行試驗，抗拉強度得到了顯著提升，比1050℃提高了56MPa，但是屈服強度提高不明顯，仍不能滿足標準要求。

2原因分析

2.1純凈度分析該合金電渣重熔采用以CaF2為基礎，配入適當的Al2O3、CaO、MgO、TiO2等氧化物的五元渣系[5]。從電渣重熔后合金成分表3中2#樣和真空熔煉合金成分表3中1#，電渣重熔后Fe、Cr、Ni等主合金元素含量未發生明顯變化，P、N含量變化不大，渣系具有明顯的脫硫效果，S含量由12ppm降到了4ppm，而O含量由20ppm增加到了46ppm。從該合金的金相分析中可以看出，該渣系添加后對高溫合金的潔凈度有明顯的提升，如圖1所示。真空熔煉后B類夾雜物2.5級，D類夾雜物1級，Ds類夾雜物2.5級，電渣重熔后B類夾雜物消失，D類夾雜物0.5級，Ds類夾雜物1級。證明合金的純凈度完全能滿足各項性能要求。

2.2力學性能分析從表2中可以看出，退火溫度決定了抗拉強度的高低，對比工藝1和工藝2退火溫度由1050℃降低到970℃后，抗拉強度增加了43MPa。而冷卻方式對強度影響不明顯，如工藝5和工藝2相比，抗拉強度僅增加了12MPa，屈服強度僅增加了3MPa。工藝2、工藝3、工藝4之間是不同退火時間的對比，可以看出隨著退火時間的增加抗拉強度降低的比較小，延伸率增加的也不多，但退火時間為30min試樣要比退火時間為10min試樣的屈服強度低了29MPa，說明縮短退火時間對提高屈服強度有一定的作用，但不能達到國標要求。同時也驗證了退火溫度對Inconel600高溫合金力學性能的影響高于退火時間，這與太原科技大學龔豹[6]和寶山鋼鐵股份有限公司歐新哲[7]等人的結論一致。由以上分析得出退火溫度970℃+退火時間為10min+水冷是最優的退火工藝。固溶強化合金元素固溶于基體金屬中造成一定程度的晶格畸變從而使合金強度提高的現象。融入固溶體中的溶質原子造成晶格畸變，晶格畸變增大了位錯運動的阻力，使滑移難以進行，從而使合金固溶體的強度與硬度增加[8]。而本合金在三種970℃空冷工藝下均發生了滑移，圖2-b中2、3、4曲線出現了明顯的屈服平臺，說明位錯的阻力不夠，合金強化效果不足，Cr和Ni作為置換固溶體引起的晶格畸變不足以提高合金屈服強度，需要其他的強化方式進行彌補。表3Inconel600化學成分分析2.3金相組織觀察觀察金相照片發現（如圖3），在1050℃退火時晶粒尺寸過于粗大，降低到970℃晶粒尺寸明顯減小，平均晶粒尺寸由157µm降至20µm~67µm。隨著退火時間的延長平均晶粒尺寸逐步由20µm增加至67µm。因為管壁較薄，空冷和水冷的晶粒度區別不大，如圖3-b和圖3-e所示。工藝4（圖3-d）的晶界尺寸是工藝2（圖3-b）3倍，但力學性能變化不大，說明晶界強化效果不能明顯提高Inconel600的合金強度。

3性能優化

為了提高Inconel600合金的屈服強度，對合金中添加C、Ti、Al元素，以形成彌散析出相，從而達到二次強化的目的。為了提高該合金的抗晶間腐蝕性能，化學成分要求Ti/C大于12[9]。Al元素的添加可以提高高溫合金的拉伸性能，其含量一般控制在0.30%以下，過高則會惡化材料的性能，即使在0.30%以內，其性能變化也較大[10]。根據以上分析制備新的合金成分如表1中的3#樣品所示，試樣制備工藝與前面一致，最終熱處理工藝為退火溫度970℃，退火時間為10min，水冷。性能完全滿足國標要求。添加C和Ti元素后，在熔煉過程中形成的Ti（C，N）析出相，Al促進組織中η相的產生[11]。Inconel600合金管經970℃保溫10min水冷，在這個溫度區間碳化物和氮化物已經大部分固溶，兩者作為析出相均彌散分布在晶界內部[12]，析出物以塊狀、橢球狀及點狀且以彌散分布的細小Ti(C，N)顆粒為主，其尺寸在100nm左右，能起到明顯的析出強化作用[13]。在變形過程中，這些相界面會阻礙位錯的滑移，從而使材料得到了強化。4結論固溶強化高溫合金Inconel600單純的添加Fe、Cr、Ni等主元素，通過熱處理工藝強化，強化的原理為固溶強化和晶界強化，但兩種強化方式并不能滿足國標的對該合金力學性能的要求，通過添加Ti、Al等彌散析出強化微合金元素，形成Ti（C，N）和η相等析出強化相，才能滿足國標的相關指標。高溫合金薄壁管最優熱處理工藝為退火溫度970℃，退火時間為10min，空冷。

參考文獻

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[2]武杰,孫毅,王艷.航天用GH3600合金管材生產工藝優化[J].熱加工工藝,2016,45(01):145-6.

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[13]曹宇.Incoloy800H合金熱加工過程中微觀組織演變和力學性能研究[D];東北大學,2016.

作者：高鑫 單位：無錫隆達金屬材料有限公司