一種解決R26合金帶狀細晶異常組織的熱處理工藝研究

呂振家 彭建強 鞠紅霞 馮天澍 韓 亮 閆紅博

(1.哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，黑龍江150046；2.黑龍江科技大學，黑龍江150022)

R26是一種Fe-Ni-Co-Cr基沉淀硬化型高溫合金，具有良好的室溫綜合性能、高的持久蠕變強度和低的缺口敏感性以及優(yōu)良的抗應力松馳性能，廣泛用于超臨界、超超臨界汽輪機葉片、緊固件等高溫部件。然而，在實際生產(chǎn)中，部分爐號的R26合金棒材，特別是軋制棒材，在標準熱處理之后，會出現(xiàn)帶狀細晶組織。由于晶界在高溫下是薄弱位置，因此，通常希望高溫材料能獲得相對較粗的晶粒。目前，對于該合金的研究，多在鍛造工藝、化學成分對性能的影響等方面[1-3]，對于R26合金細晶帶組織的研究，尚未見報道。

本文針對某爐號軋制R26合金棒材出現(xiàn)的細晶帶問題，分析了問題產(chǎn)生的原因，并通過試驗研究，找到了解決此問題的手段，即通過增加預備熱處理，可以消除細晶帶。而且，實驗室試驗結(jié)果及批量產(chǎn)品工藝試驗結(jié)果表明，增加預備熱處理不會影響合金室溫拉伸和高溫持久等性能。

1 試驗材料

試驗材料采用真空感應爐+電渣重熔工藝冶煉，軋制成形，成品規(guī)格為?75 mm?；瘜W成分和性能要求分別如表1和表2所示。

表1 試驗材料化學成分要求(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Chemical composition requirements of tested material(mass fraction,%)

表2 力學性能要求Table 2 Mechanical properties requirements

R26合金的標準熱處理工藝如下：

1025℃±13℃×1 h，油冷或水冷+815℃±8℃×20 h，爐冷至730℃±8℃×20 h，空冷。

2 問題描述及原因分析

2.1 問題描述

棒材軋制完成后，檢查金相，發(fā)現(xiàn)組織均勻，晶粒度為7.0級～8.0級，但是標準熱處理后檢查組織，發(fā)現(xiàn)組織非常不均勻并存在大量細晶帶，晶粒度為4.0級～7.0級，如圖1所示。但是，棒材的室溫拉伸性能滿足標準要求，如表3所示，且強度和塑形都有較好的富裕度。

軋制態(tài)(100×)標準熱處理后(100×)

圖1 軋制態(tài)和標準熱處理后的組織Figure 1 Microstructure in rolled state and that after standard heat treatment

圖2 異常組織(500×)Figure 2 Abnormal structure(500×)

1050℃處理前4.0級60%,7.0級40%1050℃處理后3.0級90%,7.0級10%1080℃處理前4.0級～7.0級1080℃處理后3.0級1100℃處理前4.0級～7.0級1100℃處理后3.0級

圖3 預備熱處理前后的組織比較(100×)Figure 3 Comparison of microstructures before and after preparatory heat treatment(100×)

圖4 預備熱處理與補充固溶的晶粒度對比(100×)Figure 4 Comparison of grain size between preparatory heat treatment and supplementary solid solution(100×)

圖5 返修前后組織對比(100×)
Figure 5 Microstructure comparison before and
after repair(100×)

2.2 原因分析

R26合金經(jīng)標準熱處理后的組織由γ基體、γ′相、TiC、TiN、M3B2型硼化物、M6C型碳化物組成。合金中的一次相主要是TiC和TiN，以夾雜物的形式沿加工方向分布，成塊狀或條狀，個別呈帶狀。合金異常組織在500倍下的照片如圖2所示，可以看到沿加工方向的TiC、TiN，以及沿晶界分布的大量硼化物和碳化物。由于這些夾雜物和碳化物等顆粒對位錯移動有釘扎作用，阻礙了晶粒的長大，從而導致細晶帶的形成。

3 解決方案

3.1 試驗方案

根據(jù)形成細晶帶的原因，制定了增加一道預備熱處理的工藝，即提高固溶溫度，使硼化物和碳化物溶解，進而使合金發(fā)生充分的靜態(tài)再結(jié)晶。將試樣分別加熱到1050℃、1080℃、1100℃，保溫時間均為1 h，之后進行金相組織檢查，見圖3。

從圖3可以看出：

(1)經(jīng)過1050℃處理后，帶狀細晶明顯減少，但是沒有消除；

(2)經(jīng)過1080℃和1100℃處理后，帶狀細晶全部消除，且組織均勻，平均晶粒度為3.0級。

這說明，經(jīng)過1080℃和1100℃處理后，合金中的硼化物和碳化物發(fā)生了回溶，合金發(fā)生了充分的靜態(tài)再結(jié)晶；而1050℃處理后，僅有部分硼化物和碳化物發(fā)生了回溶，靜態(tài)再結(jié)晶不夠充分。

表4 返修前后力學性能比較Table 4 Mechanical properties comparison before and after repair

預備熱處理后進行標準熱處理，存在晶粒繼續(xù)長大的風險，因此，對經(jīng)過1080℃和1100℃處理的試樣重新進行了1030℃固溶，結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯觯俳?jīng)過一次1030℃固溶處理，組織仍然保持均勻，且晶粒度不變，仍為3.0級。

3.2 試生產(chǎn)

采用1080℃預備熱處理+標準熱處理工藝對存在細晶帶的棒料進行大爐試生產(chǎn)，之后進行了金相組織、室溫拉伸和高溫持久等性能試驗，結(jié)果分別如圖5、表4所示。

從檢測結(jié)果可以看出：

(1)組織：預備熱處理很好地改善了材料組織，使原來的混晶組織變?yōu)榫鶆蚪M織，且經(jīng)過預備熱處理+標準熱處理后，晶粒度也滿足標準要求。

(2)室溫強度：與存在細晶帶組織材料的室溫拉伸強度相比，增加預備熱處理后，材料的屈服強度、拉伸強度有所下降，這主要是因為在室溫下材料主要依靠晶界強化，而增加預備熱處理后，原有的細晶粒變粗，晶界強化減弱，所以強度降低。

(3)高溫持久性能：在增加預備熱處理前，由于細晶帶的存在，導致材料的高溫持久性能下降，在650℃、540 MPa條件下，持久時間僅為85 h，不滿足標準要求；而增加預備熱處理之后，由于消除了細晶帶，材料的組織均勻，且晶粒較為粗大，顯著提高了材料的持久強度，同樣試驗條件下，持久時間為320 h，幾乎是存在帶狀細晶材料的4倍。

4 總結(jié)

針對R26合金棒材在實際生產(chǎn)中遇到的細晶帶問題，分析了出現(xiàn)細晶帶的原因，提出了解決方案，并采用確定的最佳方案進行了大爐試生產(chǎn)，結(jié)果表明，通過增加一道預備熱處理，可以有效地消除細晶帶組織，且經(jīng)過預備熱處理+標準熱處理后，棒材的組織均勻，晶粒大小適當，室溫拉伸和高溫持久性能優(yōu)異。