固溶溫度和冷卻方式對(duì)轉(zhuǎn)子用改型IN617合金晶粒尺寸及碳化物的影響

白亞冠 聶義宏 吳 贇 朱懷沈 趙 帥(.中國(guó)一重天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457；.上海交通大學(xué)，上海0040)

歐盟、日本已將傳統(tǒng)的IN617合金作為耐熱管、大型鑄鍛件的備選材料進(jìn)行成分改進(jìn)。日本各主要的電力公司已分別研發(fā)幾類(lèi)鎳基和鐵鎳基合金，目前已成功研制了10 t級(jí)高壓轉(zhuǎn)子鍛件[1-3]。

IN617合金是經(jīng)固溶強(qiáng)化和碳化物強(qiáng)化的合金，該合金及其改進(jìn)型組織比較穩(wěn)定，具有較好的高溫強(qiáng)度、塑性及良好的抗氧化、抗腐蝕性能，是歐洲正在開(kāi)發(fā)的、先進(jìn)的700℃超超臨界機(jī)組上使用的關(guān)鍵材料[4-6]，本文針對(duì)中國(guó)一重鍛造的改型IN617合金鍛件開(kāi)展了固溶處理溫度和冷卻方式對(duì)合金晶粒尺寸和碳化物的影響的研究。

1 試驗(yàn)材料及方法

本試驗(yàn)材料取自于中國(guó)一重鍛造的1.5 t級(jí)改進(jìn)型617合金鍛件，試樣均來(lái)自于鍛件1/2R處。

針對(duì)固溶處理溫度對(duì)析出相和晶粒尺寸的影響，實(shí)驗(yàn)溫度選擇1100℃、1120℃、1140℃、1160℃、1180℃和1200℃；針對(duì)冷卻速率對(duì)析出相的影響，實(shí)驗(yàn)固溶溫度選擇1180℃，冷卻方式分別為空冷和4 K/min冷卻至700℃后空冷。

利用德國(guó)Carl Zeiss公司的Axiovert 200 MAT型光學(xué)顯微鏡和美國(guó)FEI公司的Quanta 400型掃描電鏡觀察分析析出相和晶粒尺寸，采用5 ml H2SO4+150 ml HCl+20 g CuSO4·5H2O+80 ml H2O溶液腐蝕碳化物和晶界，晶粒尺寸的測(cè)定采用截點(diǎn)法。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鍛態(tài)組織

圖1為實(shí)驗(yàn)合金的鍛態(tài)顯微組織。由圖1(a)可見(jiàn)鍛態(tài)組織中存在嚴(yán)重的混晶現(xiàn)象，在細(xì)晶區(qū)的晶界處存在大量的顆粒狀碳化物(見(jiàn)圖1(b))，這是由于碳化物在鍛造和再結(jié)晶過(guò)程中可以起到釘扎晶界的作用，抑制晶粒的長(zhǎng)大，得到較細(xì)的晶粒。結(jié)合EDS結(jié)果可得知，碳化物主要有3種：MC，尺寸在3種碳化物中最大，為富含Nb、Ti、Mo的一次碳化物；M6C，顆粒較大，電鏡下發(fā)白，主要富含Mo；M23C6，顆粒較小，電鏡下發(fā)白，主要元素為Cr。

圖1 改型IN617合金鍛態(tài)顯微組織Figure 1 Forged microstructure of modified IN617 alloy

圖2 不同固溶溫度處理后(空冷)的金相顯微組織Figure 2 Metallographic microstructures at different solution temperatures treatment (air cooling)

圖3 不同固溶溫度處理后(空冷)的碳化物回溶情況Figure 3 Carbide redissolution conditions at different solution temperature treatment (air cooling)

圖4 晶粒尺寸隨固溶處理溫度的變化規(guī)律Figure 4 Variation rule of grain size with solution temperatures

2.2 固溶處理溫度對(duì)碳化物的影響

圖2為合金經(jīng)過(guò)不同溫度固溶處理后的金相組織。由圖2可明顯看出，隨著固溶溫度的升高，組織變得“干凈”，碳化物數(shù)量明顯減少，晶粒尺寸呈長(zhǎng)大趨勢(shì)，且鍛態(tài)時(shí)的混晶情況在經(jīng)過(guò)固溶處理后得到明顯改善，在較高的固溶溫度處理后，混晶現(xiàn)象消失。

為了研究不同固溶溫度處理過(guò)程中的碳化物回溶規(guī)律，進(jìn)行了更高倍數(shù)的研究，見(jiàn)圖3。由圖3可以明顯看出，隨著固溶溫度的升高，碳化物數(shù)量明顯減少，晶界和晶內(nèi)的碳化物均發(fā)生了回溶。由圖3(a)可知，經(jīng)過(guò)1100℃保溫2 h后，碳化物數(shù)量很多，但分布不均勻，碳化物較多的區(qū)域晶粒尺寸較小，存在3種尺寸的碳化物，大的約為5 μm，為MC，中等大小的約2 μm，為M6C，最小的小于1 μm，為MC。同鍛態(tài)組織對(duì)比可知，M23C6已經(jīng)完全回溶到基體中，MC和M6C沒(méi)有明顯的回溶；固溶溫度升高至1120℃后，碳化物數(shù)量繼續(xù)減少，晶界M6C由塊狀轉(zhuǎn)為片狀，結(jié)合尺寸和數(shù)量的對(duì)比可知在此溫度下保溫，M6C在1120℃保溫過(guò)程中可回溶；經(jīng)1140℃保溫后，晶界片狀M6C尺寸更小，進(jìn)一步回溶；隨著固溶溫度的進(jìn)一步升高，晶界片狀M6C消失，只在局部存在少量的大塊狀和細(xì)小顆粒狀未回溶MC，到1200℃時(shí)，細(xì)小的顆粒狀MC也發(fā)現(xiàn)明顯回溶跡象，由此可以得知，在1180℃及以下溫度保溫時(shí)，一次碳化物MC比較穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生回溶現(xiàn)象，而在高于1180℃的溫度保溫，細(xì)小的MC開(kāi)始回溶，而M6C在1120℃及以上溫度保溫即可回溶，在1160℃保溫2 h后M6C已完全回溶。

圖5 1180℃保溫2 h后采取不同冷卻方式冷卻后的顯微組織Figure 5 Microstructures at different cooling conditions after 1180°C within 2 h heat preservation

2.3 固溶處理溫度對(duì)晶粒尺寸的影響

圖4為固溶處理溫度對(duì)晶粒尺寸的影響規(guī)律曲線。由圖4可知，在1140℃及以下溫度保溫時(shí)，晶粒尺寸長(zhǎng)大不明顯，當(dāng)固溶溫度高于1140℃時(shí)，晶粒尺寸發(fā)生明顯長(zhǎng)大。結(jié)合圖3可知，在1140℃及以下溫度保溫時(shí)，晶界存在較多的顆粒狀和片狀M6C，可起到釘扎晶界的作用，抑制晶粒的長(zhǎng)大，當(dāng)固溶溫度超過(guò)1140℃時(shí)，晶界M6C回溶，釘扎作用減弱[7]，因此當(dāng)保溫時(shí)間高于1140℃時(shí)晶粒發(fā)生快速長(zhǎng)大，在晶粒尺寸隨固溶處理溫度變化的曲線圖上出現(xiàn)了一個(gè)明顯的拐點(diǎn)。

2.4 冷卻速率對(duì)析出相的影響

在大鍛件的熱處理過(guò)程中，存在截面效應(yīng)，且高溫合金熱導(dǎo)率較鋼鐵要低，因此，截面效應(yīng)更加明顯，為了貼合實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，我們選擇1180℃保溫2 h后，直接空冷和4 K/min冷卻至700℃后空冷兩種冷卻方式來(lái)研究冷卻方式對(duì)顯微組織的影響。圖5為兩種冷卻方式下的顯微組織。對(duì)比可知，二者晶粒度基本一致，但經(jīng)過(guò)緩冷處理后碳化物的量明顯增多；放大到高倍數(shù)下對(duì)比可知，空冷處理后晶內(nèi)存在兩種尺寸的碳化物，均為MC，而晶界析出相尺寸非常小，而經(jīng)過(guò)更慢冷卻速率處理后，晶界析出相的數(shù)量明顯增多，尺寸增大，呈連續(xù)分布，經(jīng)EDS測(cè)定，主要為富Cr的M23C6，局部存在M6C。由此可知，在緩冷過(guò)程中，Cr、Mo等容易向晶界等M23C6、M6C的形核點(diǎn)擴(kuò)散，從而使得碳化物析出并長(zhǎng)大。M23C6在晶界析出，晶界強(qiáng)度降低，在外力下，裂紋易沿晶界產(chǎn)生，沖擊吸收能量和斷后伸長(zhǎng)率明顯降低[6,8]。緩冷會(huì)使得M23C6型碳化物在晶界上連續(xù)聚集長(zhǎng)大，促使沖擊吸收能量和斷后伸長(zhǎng)率進(jìn)一步降低，同時(shí)晶界M23C6和M6C的析出會(huì)使得基體中Mo、Cr等元素濃度降低，從而減弱固溶強(qiáng)化和防氧化作用。因此，在固溶處理后應(yīng)以較快的速率進(jìn)行冷卻以避免晶界碳化物的連續(xù)析出與長(zhǎng)大。

3 結(jié)論

(1)鍛態(tài)顯微組織中存在的碳化物會(huì)在固溶處理過(guò)程中回溶，其中，M23C6的回溶溫度低于1100℃，M6C在1160℃保溫即可完全回溶，而當(dāng)固溶溫度高于1180℃時(shí)，細(xì)小的一次MC也開(kāi)始回溶到基體中。

(2)在1140℃及以下溫度進(jìn)行固溶處理時(shí)，晶粒尺寸能夠保持在90 μm以下，而當(dāng)固溶溫度高于1140℃時(shí)，隨著晶界M6C的回溶，晶粒尺寸開(kāi)始快速長(zhǎng)大，出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)。

(3)在固溶處理后的冷卻過(guò)程中，當(dāng)冷速較慢時(shí)，會(huì)在晶界析出連續(xù)分布的M23C6。

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