GH2107高溫合金力學(xué)性能的研究

楊　成，王海強(qiáng)，肖　旋

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110159)

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GH2107高溫合金力學(xué)性能的研究

楊成，王海強(qiáng)，肖旋

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110159)

摘要：對(duì)熱處理態(tài)下的鎳鐵基高溫合金GH2107進(jìn)行瞬時(shí)拉伸試驗(yàn)及持久試驗(yàn)，拉伸試驗(yàn)在室溫和高溫下進(jìn)行，室溫至高溫的拉伸斷口從沿晶斷轉(zhuǎn)向穿晶斷，合金的屈服強(qiáng)度在700℃有明顯的回升。將持久試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)構(gòu)成LMP拉伸米勒曲線，可預(yù)測(cè)其持久壽命，在700℃200MPa下合金的壽命可達(dá)十萬小時(shí)，優(yōu)于同類別的其它合金。

關(guān)鍵詞：GH2107；高溫合金；力學(xué)性能；斷口

高溫合金在高溫下具有很好的強(qiáng)度，高溫合金實(shí)際上是指能夠承受600℃以上的高溫，并在較大的復(fù)雜應(yīng)力下使用后表面穩(wěn)定的高合金化鐵基、鎳基和鈷基奧氏體金屬材料。以高合金化的Fe-Ni基奧氏體為基的合金統(tǒng)稱為鐵鎳基高溫合金。追溯鐵鎳基高溫合金的起源可以認(rèn)為是從鐵基奧式體不銹鋼發(fā)展而來的，偶然將少量Ti元素將入到奧氏體Fe-Ni-Cr合金中發(fā)現(xiàn)在高溫下仍然具有很高的強(qiáng)度[1-2]。鐵鎳基高溫合金的優(yōu)勢(shì)在于基體內(nèi)含有大量的Fe，重金屬元素如Co、Cr、Mo等添加的比較少，因?yàn)镕e相對(duì)于Ni、Cr和Co廉價(jià)，所以鐵鎳基的高溫合金成本要明顯低于鎳基和鈷基高溫合金。但是鐵鎳基的高溫合金也有缺陷，F(xiàn)e-Ni基穩(wěn)定性不夠好，由于Fe在室溫下為bcc結(jié)構(gòu)，高溫下為fcc結(jié)構(gòu)，室溫到高溫時(shí)Fe會(huì)發(fā)生同素異構(gòu)的轉(zhuǎn)變?chǔ)凌F素體→奧氏體γ→δ鐵素體，導(dǎo)致Fe的穩(wěn)定性比較差，相比于鎳基可以加入大量的固溶強(qiáng)化元素和彌散強(qiáng)化元素，鐵基有明顯的劣勢(shì)。因此都會(huì)在基體內(nèi)加入至少約25%的鎳來穩(wěn)定奧氏體基體形成了Fe-Ni基的高溫合金。

GH2107即是一種Ni-Fe基變形高溫合金，主要應(yīng)用于700～750℃工作電站當(dāng)中燃?xì)廨啓C(jī)渦輪工作的葉片。由于其在實(shí)際使用過程中處在高溫高壓的情況下，所以了解該合金在高溫高壓下合金的力學(xué)性能至關(guān)重要，力學(xué)性能的穩(wěn)定也保證了合金進(jìn)行長期的安全使用。本文主要研究標(biāo)準(zhǔn)熱處理態(tài)下GH2107合金的瞬時(shí)拉伸性能和持久性能。瞬時(shí)拉伸試驗(yàn)包括在室溫和不同的高溫條件下，從而得到合金在不同溫度下拉伸的強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率和收縮率，了解其斷裂的方式及其斷裂的機(jī)理。在700℃不同壓力下對(duì)合金進(jìn)行持久試驗(yàn)，通過對(duì)數(shù)據(jù)的擬合，可以很好地預(yù)測(cè)合金在實(shí)際使用中的壽命。

1實(shí)驗(yàn)方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所采用的材料為鐵鎳基變形高溫合金GH2107[3]，合金的化學(xué)成分(wt%)為：C 0.05、B 0.005、P 0.02、Mo+W 4.0、Al+Ti 3.3、Cr 15、Ni 40、Fe余量。合金采用25kg的國產(chǎn)真空感應(yīng)爐進(jìn)行熔煉，然后對(duì)合金錠進(jìn)行開坯鍛造，在1150℃下鍛造成40mm×40mm的方坯料，最后對(duì)合金進(jìn)行熱軋，在1200℃下熱軋成φ16mm的棒材。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

對(duì)GH2107的標(biāo)準(zhǔn)熱處理采用兩段式，分為固溶熱處理和時(shí)效熱處理兩個(gè)階段：1150℃/2h/AC固溶+780℃/24h/AC時(shí)效。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)熱處理態(tài)GH2107合金分別進(jìn)行拉伸與持久試驗(yàn)。瞬時(shí)拉伸的試驗(yàn)條件為在拉伸加載速率不變的情況下分別在室溫、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃、750℃、800℃、850℃和900℃十個(gè)溫度下進(jìn)行拉伸。持久試驗(yàn)為在700℃分別在6個(gè)不同應(yīng)力下進(jìn)行：550MPa、500MPa、425MPa、400MPa、350MPa和300MPa。經(jīng)過拉伸和持久試驗(yàn)后的試樣用HitachiS-3400N型掃描電鏡對(duì)其進(jìn)行斷口觀察，然后采用FEI Tecnai G2型透射電鏡對(duì)其進(jìn)行位錯(cuò)及微觀結(jié)構(gòu)的觀察。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1拉伸性能曲線

圖1a為標(biāo)準(zhǔn)熱處理態(tài)的GH2107合金在室溫及高溫下的瞬時(shí)拉伸性能圖。可以看出合金GH2107的極限拉伸強(qiáng)度隨著溫度的升高而逐漸降低，當(dāng)溫度達(dá)到600℃時(shí)，極限拉伸強(qiáng)度急劇下降。室溫時(shí)的極限拉伸強(qiáng)度為1022MPa，850℃時(shí)強(qiáng)度降低到410MPa。合金的屈服強(qiáng)度總的來說是下降趨勢(shì)，屈服強(qiáng)度在室溫下為537MPa，但在600℃時(shí)，屈服強(qiáng)度有明顯回升，形成一個(gè)波峰，其在700℃時(shí)達(dá)到峰值為545MPa，然后急劇下降，在850℃時(shí)屈服強(qiáng)度降低到310MPa(900℃時(shí)屈服強(qiáng)度為127MPa)。例如GTD-111等合金都具有類似的情況產(chǎn)生[3-6]。

圖1b為合金的塑性性能圖，包括伸長率和斷面收縮率，其總體呈上升趨勢(shì)。拉伸在室溫和500℃下的伸長率幾乎同為24%；在500～550℃時(shí)有所降低，550℃時(shí)伸長率為22%；隨后快速增長，在700～750℃時(shí)，伸長率渡過一個(gè)平穩(wěn)期基本

(a)強(qiáng)度曲線

(b)塑性曲線

保持在40%左右；在850℃下拉伸的伸長率最高達(dá)到49%。合金的收縮率從室溫到500℃時(shí)有所增長，從23%增加到30%；在500～650℃收縮率經(jīng)歷曲折后開始降低，600℃拉伸時(shí)收縮率達(dá)到最低為27.5%；而后迅速上升，在850℃達(dá)到峰值為69.5%(900℃時(shí)沒有測(cè)出)。宏觀來看，在750℃之前斷面收縮率大于伸長率，750℃后反之。

為便于理解，在十個(gè)溫度當(dāng)中選取四個(gè)非常具有代表性的溫度節(jié)點(diǎn)來對(duì)合金進(jìn)行進(jìn)一步的分析，節(jié)點(diǎn)分別為：室溫、550℃、700℃和800℃。

2.2瞬時(shí)拉伸斷口形貌

圖2為合金在室溫、550℃、700℃和800℃下的拉伸斷口，可以清晰地觀察到，室溫拉伸的斷口斷裂方式為沿晶斷裂，存在數(shù)量很少的韌窩，并且晶粒間存在二次裂紋，見圖2a、圖2b。在550℃下拉伸的主要斷裂方式為沿晶斷裂，相比于室溫拉伸，其韌窩有所增加，斷口宏觀也略顯平滑，同樣在550℃下拉伸也存在二次晶間裂紋見圖2c、圖2d。在700℃下拉伸的斷裂方式為韌性斷裂，此時(shí)宏觀上斷口呈光滑平整，微觀上斷口產(chǎn)生了大量的韌窩，韌窩分布均勻且大小深淺適中見圖2e、圖2f。所以，在700℃下拉伸比室溫和550℃下拉伸的強(qiáng)度要高、塑性要好。在800℃時(shí)拉伸的斷裂方式為完全的韌性斷裂，宏觀上表面光滑，微觀上韌窩呈現(xiàn)出斷裂、雜亂分布，韌窩明顯被拉長并且在韌窩間存在大量大小不一的孔洞，見圖2g、圖2h。韌窩的拉長導(dǎo)致其強(qiáng)度急劇下降，但是塑性呈線性增加。

根據(jù)斷口的觀察與分析，可以得出結(jié)論，由室溫到高溫的拉伸過程中，GH2107合金斷裂的方式由沿晶斷裂逐漸轉(zhuǎn)變成穿晶斷裂?？梢哉J(rèn)為合金在室溫及低溫拉伸的情況下，晶界是合金的薄弱環(huán)節(jié)，所以在低溫拉伸過程中往往裂紋在晶界萌生并擴(kuò)展，呈沿晶斷裂即延性斷裂。在高溫拉伸的情況下，晶內(nèi)是合金的薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)力在晶內(nèi)集中，由孔洞的萌生進(jìn)而被拉長成韌窩，最終被拉斷，出現(xiàn)大量韌窩的斷裂可以認(rèn)為其是韌性斷裂[7-8]。

(a)室溫

(b)室溫

(c)550℃

(d)550℃

(e)700℃

(f)700℃

(g)800℃

(h)800℃

2.3持久LMP曲線

工程設(shè)計(jì)當(dāng)中往往要求材料具備10萬小時(shí)以上的持久性能，長時(shí)間的試驗(yàn)數(shù)據(jù)直接通過試驗(yàn)獲取非常困難，所以在試驗(yàn)中會(huì)提高持久試驗(yàn)中的溫度和應(yīng)力來獲得短時(shí)的斷裂時(shí)間和溫度、應(yīng)力的關(guān)系，再由Larson-Miller參數(shù)外推法推算出長時(shí)間的斷裂時(shí)間和溫度、應(yīng)力的關(guān)系。

Larson-Miller曲線一般用來預(yù)測(cè)低應(yīng)力下合金的持久壽命，Larson-Miller參數(shù)方程表示為：P=T(C+logt)×10-3，其中t是持久斷裂時(shí)間，T是絕對(duì)溫度，C為常數(shù)(通常取20)[9]。由于GH2107是700℃超超臨界材料，所以選擇700℃作為合金持久拉伸的溫度，試驗(yàn)條件為在700℃下分別在550MPa、500MPa、425MPa、350MPa和300MPa載荷下進(jìn)行持久拉伸。圖3為合金GH2107持久性能的Larson-Miller曲線。為了便于比較，繪制出FINEX700和LTES700R變形高溫合金的Larson-Miller曲線。從圖3可發(fā)現(xiàn)：在700℃下，GH2107在整個(gè)應(yīng)力的范圍內(nèi)都高于FINEX700合金，相比于合金LTES700R，GH2107在高應(yīng)力下略低，在低應(yīng)力下持久壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于LTES700R。可以預(yù)測(cè)在200MPa載荷下，持久壽命可以達(dá)到十萬小時(shí)。

圖3　LMP曲線

2.4持久斷口形貌

圖4為合金在700℃下持久拉伸斷口形貌，為更加直觀，依次選取在500、425和350MPa下進(jìn)行持久拉伸研究。在700℃下，不同的載荷對(duì)合金斷口影響不大，都為混晶斷裂，如圖4a、c、e。高倍觀察，發(fā)現(xiàn)主要為沿晶粒斷裂，晶粒間存在大量裂紋，并且晶粒上布滿了大量的韌窩，如圖4b、d。在350MPa下的持久拉伸，晶間的二次裂紋明顯減少，并且存在解理面，如圖4f。總體來看，在較高應(yīng)力載荷下，合金會(huì)沿晶粒開裂，并且存在大量裂紋，然而在較低的應(yīng)力載荷下，合金會(huì)穿晶斷裂，含有明顯的解理面。但兩者都存在大量的韌窩，都呈混晶斷裂。所以說，在溫度不變，只變載荷的情況下對(duì)合金的斷裂方式?jīng)]有顯著的影響。

(a)500MPa

(b)425MPa

(c)350MPa

(d)500MPa

(e)425MPa

(f)350MPa

2.5持久試驗(yàn)中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)機(jī)制

圖5為在700℃下持久拉伸的位錯(cuò)變形形貌，可以發(fā)現(xiàn)，在持久應(yīng)力載荷從高到低的過程中位錯(cuò)的變形機(jī)制也發(fā)生了變化，載荷為550MPa和425MPa時(shí)，是繞越機(jī)制起主導(dǎo)作用，即是位錯(cuò)繞過γ′相形成位錯(cuò)環(huán)，如圖5a、b。當(dāng)載荷為400MPa時(shí)，位錯(cuò)對(duì)γ′相進(jìn)行了切割，如圖5c，所以此時(shí)的變形機(jī)制主要為切割機(jī)制。以上可知GH2107合金在700℃的持久實(shí)驗(yàn)中，隨著加載應(yīng)力的變化，合金的變形機(jī)制也發(fā)生了變化，載荷由高至低的過程中，變形機(jī)制由繞越機(jī)制向切割機(jī)制轉(zhuǎn)變。

變形機(jī)制的改變除了跟加載應(yīng)力變化大小有關(guān)外，可能與持久拉伸的時(shí)間有關(guān)。因?yàn)樵诖髴?yīng)力加載下，持久斷裂的時(shí)間很短，而在較小應(yīng)力加載下，持久斷裂時(shí)間成倍增長。持久斷裂時(shí)間的延長給位錯(cuò)切割提供了充足的時(shí)間。在550MPa、425MPa和400MPa的加載下持久壽命分別為：2.25h、156h和378h。因此，GH2107合金持久拉伸變形機(jī)制主要與持久加載應(yīng)力和持久壽命有關(guān)。

(a)550MPa

(b)425MPa

(c)400MPa

3結(jié)論

(1)標(biāo)準(zhǔn)熱處理態(tài)下的GH2107拉伸強(qiáng)度隨試驗(yàn)溫度的升高而下降，塑性反之。在700℃時(shí)強(qiáng)度回升出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn)。

(2)合金拉伸斷口的斷裂方式由室溫的沿晶斷裂向高溫的穿晶斷裂轉(zhuǎn)變。

(3)持久試驗(yàn)中，可以通過做LMP圖來預(yù)測(cè)合金的持久壽命，可得在200MPa載荷下，合金持久壽命可以達(dá)到十萬小時(shí)，遠(yuǎn)高于同類別的LTES700R合金。

(4)合金在由高持久應(yīng)力轉(zhuǎn)向低應(yīng)力的持久應(yīng)力中，位錯(cuò)的切割機(jī)制由繞越γ′相轉(zhuǎn)為切割γ′相。

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(責(zé)任編輯：馬金發(fā))

Study on Mechanical Properties in GH2107 Superalloy

YANG Cheng，WANG Haiqiang，XIAO Xuan

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

Abstract：Tensile and stress rupture test was used for the Ni-Fe base superalloy of GH2107 in standard heat treatment.The fracture mechanism is from intergranular to transgranular at indoor temperature and high temperature,the yield strength has a significant rebound at 700℃.The LMP curve of the creep test shows an excellent rupture property which can reach 100000h at 200MPa.

Key words：GH2107;superalloy;mechanical properties;fracture

中圖分類號(hào)：TG359

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1003-1251(2016)01-0045-05

作者簡介：楊成(1989—)，男，碩士研究生；通訊作者：肖旋(1966—)，女，副教授，工學(xué)博士；研究方向：高溫合金。

收稿日期：2014-11-24