熱處理工藝對GH2747 合金無縫管組織及硬度的影響*

高 佩，唐玉春，賈 歡

（1. 江蘇銀環(huán)精密鋼管有限公司，江蘇 宜興 214203；2. 江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；3. 寶銀特種鋼管有限公司，江蘇 宜興 214203）

GH2747 是一種Fe-Ni-Cr-Al 系時效強(qiáng)化變形高溫合金，最高使用溫度達(dá)1 300 ℃，由于該合金的高溫強(qiáng)度、高溫抗氧化性、耐腐蝕性能和組織穩(wěn)定性良好，且易于成型和焊接，可廣泛用于制造航空航天、核電、石化、冶金等領(lǐng)域用耐高溫抗氧化零部件［1-4］。目前，國內(nèi)外對GH2747 高溫合金的研究較少，主要集中在無縫管制造、組織及性能研究等方面［3-5］，而有關(guān)熱處理溫度及保溫時間對GH2747 合金的組織和硬度的影響未見相關(guān)報道。本文通過工業(yè)化生產(chǎn)裝備制造出GH2747 高溫合金冷軋無縫管，研究熱處理制度對其金相組織及硬度的影響，以期為制定該合金的工業(yè)化熱處理規(guī)范提供理論依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

GH2747 合金采用12 t 真空感應(yīng)爐冶煉，澆鑄成Ф360 mm×2 800 mm 合金錠，然后采用Ф430 mm 電渣重熔工藝冶煉，快鍛開坯成200 mm 八角坯，再徑鍛成Ф70 mm 圓管坯，隨后經(jīng)過剝皮、切斷、鉆定心孔等工序，最后熱穿孔成Ф70 mm×7 mm 規(guī)格荒管，具體化學(xué)成分見表1。熱穿孔GH2747 荒管經(jīng)兩道次冷軋至Ф25 mm×3 mm 規(guī)格成品管，然后去油。

表1 GH2747 合金無縫管的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

在上述去油干凈后的冷軋成品管上取5 組試樣，每組試樣包括5 個縱向金相試樣和5 個橫向硬度試樣，其中縱向金相試樣為長度20 mm 的半管，橫向硬度試樣為長度20 mm 的整管。在SX2-22-13 型箱式電阻爐中進(jìn)行不同條件的熱處理，熱處理溫度分別為1 000 ℃、1 025 ℃、1 050 ℃、1 075℃、1 100 ℃，保溫時間分別為5 min、10 min、20 min、30 min 和60 min，浸水冷卻。

1.2 試驗方法

將以上不同熱處理條件的縱向金相試樣進(jìn)行磨拋，然后采用3 g 草酸+100 mL 濃鹽酸配比的混合溶液進(jìn)行電解，并在ZEISS Axiovert 40MAT 型金相顯微鏡下觀察、拍照，每種熱處理條件縱向金相組織隨機(jī)選取5 個不同視場，分別按GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》中的截點(diǎn)法測量晶粒尺寸，并計算5 個不同視場晶粒尺寸的平均值。對每個熱處理條件下的硬度試樣進(jìn)行橫向研磨并拋光，然后按GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1 部分：試驗方法》中的要求在570HAD型數(shù)顯布洛維硬度計上檢測其維氏硬度HV30。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度對晶粒尺寸的影響

GH2747 合金在不同溫度保溫5 min 的縱向顯微組織如圖1 所示。從圖1 可以看出：溫度為1 000 ℃時，合金晶粒較細(xì)小，尺寸較均勻，平均晶粒尺寸約為39.49 μm，且存在較多孿晶；隨熱處理溫度的升高，晶粒逐漸長大；溫度在1 000～1 050 ℃時，合金的晶粒相對均勻；溫度達(dá)到1 075℃時，個別晶粒明顯長大。

GH2747 合金平均晶粒尺寸與熱處理溫度的關(guān)系如圖2 所示。由圖2 可見，不同保溫時間下平均晶粒尺寸隨熱處理溫度的變化曲線相似，隨溫度的升高，晶粒逐漸長大；在1 000～1 075 ℃溫度，隨溫度的升高，晶粒長大緩慢，近似呈線性長大，溫度超過1 075 ℃后晶粒長大速度稍有加快。

圖1 GH2747 合金在不同溫度保溫5 min 的縱向顯微組織

圖2 GH2747 合金平均晶粒尺寸與熱處理溫度的關(guān)系

在熱處理過程中，隨著溫度的升高，合金晶界界面能逐漸降低，從而驅(qū)動晶界移動，促進(jìn)晶粒長大，而熱處理溫度對晶界遷移速率影響較大；因此，晶粒長大是一種熱激活過程。在一定的保溫時間下，晶界遷移率M 與熱處理溫度服從Arrhenius關(guān)系［6-8］，即：

式中 M0—— 常數(shù)；

Q —— 晶界遷移表觀激活能，J/mol；

R —— 理想氣體常數(shù)，8.314 J/（mol·K）；

T —— 熱處理溫度，K。

晶界遷移速度v（v=dD/dt，D 為平均晶粒尺寸，t 為保溫時間）為驅(qū)動力p 與晶界遷移率M 的乘積，即v=Mp。假設(shè)晶粒為球狀，則p=γb/D。其中，γb為界面能。恒溫下對v 進(jìn)行積分，并假定平均晶粒尺寸D 遠(yuǎn)大于起始尺寸，可得：

在一定的保溫時間下（即t 為定值），將公式（2）帶入公式（1），并取對數(shù)，可得：

公式（3）中，A 為包括晶界擴(kuò)散和等溫時間因子的常數(shù)。由公式（3）可知，lnD 與1/T呈線性關(guān)系。

統(tǒng)計GH2747 合金在不同溫度和保溫時間下的平均晶粒尺寸，并按公式（3）進(jìn)行線性擬合，得到的關(guān)系如圖3 所示?？梢?，不同保溫時間下的線性擬合曲線近似平行，保溫時間為5 min 時，平均晶粒尺寸D 與熱處理溫度T 的關(guān)系如下：

由公式（3）～（4）可計算出，GH2747 合金的晶界遷移表觀激活能Q 為234.95 kJ/mol。

2.2 保溫時間對晶粒尺寸的影響

保溫時間對GH2747 合金平均晶粒尺寸的影響如圖4 所示。從圖4 可以看出：不同溫度下，平均晶粒尺寸隨保溫時間的變化趨勢相同；保溫時間在10～20 min 時，晶粒隨保溫時間的延長而長大；保溫時間超過20 min 后，晶粒長大速度變緩。

圖3 GH2747 合金平均晶粒尺寸與熱處理溫度的關(guān)系

圖4 保溫時間對GH2747 合金平均晶粒尺寸的影響

在晶粒長大過程中，GH2747 合金的平均晶粒尺寸與保溫時間符合貝克公式［9］，即：

式中 C —— 系統(tǒng)常數(shù)；

η —— 動力學(xué)時間指數(shù)。

將圖4 中的平均晶粒尺寸數(shù)據(jù)按公式（5）進(jìn)行擬合，可得：

由公式（6）～（10）可見：熱處理溫度在1 000～1 075 ℃時，η 均保持在0.39 左右，說明隨著溫度的升高，η 幾乎不變，提高溫度對晶粒長大的促進(jìn)效果與彌散的第二相對原子擴(kuò)散的阻礙效果抵消程度保持不變［10］，因此隨著溫度的升高，晶粒長大速度相同；當(dāng)溫度繼續(xù)升高，η 開始降低，是因為溫度較高，熱激活過程加快，但此時第二相顆粒也隨之長大，對晶粒長大有抑制作用。

2.3 熱處理溫度對維氏硬度的影響

熱處理溫度對GH2747 合金硬度的影響如圖5所示。由圖5 可知：不同保溫時間下，GH2747合金的硬度隨溫度的升高均呈現(xiàn)緩慢減小的趨勢。一般金屬材料的屈服強(qiáng)度越高，其硬度也越大，金屬材料的屈服強(qiáng)度與晶粒尺寸的關(guān)系可用Hall-Petch 關(guān)系式來描述［11］。為驗證GH2747 合金硬度與平均晶粒尺寸的關(guān)系，按照Hall-Petch 關(guān)系式，擬合其在不同溫度和保溫時間下的硬度與平均晶粒尺寸關(guān)系，如圖6 所示?？梢姡珿H2747 合金的維氏硬度與平均晶粒尺寸符合Hall-Petch 關(guān)系式。

圖5 熱處理溫度對GH2747 合金硬度的影響

圖6 GH2747 合金維氏硬度與平均晶粒尺寸的Hall-Petch 關(guān)系

3 結(jié) 論

（1） 熱處理溫度為1 000 ℃時，GH2747 合金的晶粒細(xì)小、均勻，隨熱處理溫度的升高，晶粒逐漸長大；熱處理溫度在1 000～1 050 ℃時，GH2747合金晶粒較均勻；超過1 050 ℃后個別晶粒明顯長大。

（2） 不同保溫時間下，GH2747 合金的平均晶粒尺寸隨熱處理溫度變化的趨勢相同，且晶粒隨溫度的升高而逐漸長大。1 000～1 075 ℃溫度時，GH2747 合金的晶粒長大緩慢，溫度超過1 075 ℃后晶粒長大稍有加快。GH2747 合金的晶界遷移表觀激活能為234.9 kJ/mol。

（3） 在不同熱處理溫度下，GH2747 合金的平均晶粒尺寸隨保溫時間的延長而長大，保溫時間超過20 min 后晶粒長大速度變緩。合金的平均晶粒尺寸隨保溫時間的變化規(guī)律符合貝克公式。1 000～1 075 ℃溫度時，GH2747 合金的動力學(xué)時間指數(shù)η在0.39 左右，溫度超過1 075 ℃后減小。

（4） 不同熱處理制度下，GH2747 合金的維氏硬度與平均晶粒尺寸符合Hall-Petch 關(guān)系式。