長期時效處理對K325合金組織與性能的影響

周捷 鄧愛民

摘要：以鎳基鑄造高溫合金K325為研究材料，研究K325合金在750℃條件下長期時效后組織與力學(xué)性能變化。隨著時效時間的延長，合金中的γ″相逐漸減少，δ相逐漸增多;γ″相的生長過程由于其向δ相發(fā)生轉(zhuǎn)變含量降低，不滿足LSW理論。長期時效后經(jīng)700℃高溫拉伸后，K325合金的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先升后降的趨勢?？梢钥闯?，時效時間達(dá)到10000h時，合金的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值。

關(guān)鍵詞：鎳基高溫合金，長期時效，相變，力學(xué)性能

中文分類號：TB35

1引言

電力是現(xiàn)代社會的重要能源，我國火力發(fā)電占到總發(fā)電量的70%。隨著火力發(fā)電總量隨經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而增長，對環(huán)境與資源帶來了巨大的壓力[1]。因此為了應(yīng)對環(huán)境與能源問題，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，提高火電廠燃煤發(fā)電的效率，減少煤耗，對節(jié)約能源、降低環(huán)境污染具有重要意義[2-4]。為此，世界主要國家紛紛開展700℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)研究。在火電機(jī)組中，汽缸與閥殼是汽輪機(jī)的重要高溫承壓部件，具有尺寸大，幾何形狀復(fù)雜的特點(diǎn)，通常采用鑄造的方法[3]。目前國內(nèi)大型高溫合金鑄件制造技術(shù)領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)甚少，國外相關(guān)研究進(jìn)行較多，但技術(shù)同樣不成熟，且鑄件關(guān)鍵性能尚未公布，K325合金是金屬研究所在In625合金基礎(chǔ)上研發(fā)的一種固溶強(qiáng)化型鎳基鑄造高溫合金[5]，具有高強(qiáng)度，優(yōu)異的抗氧化腐蝕性能，良好的加工性能與鑄造性能。通過研究K325合金在750℃長期時效行為，分析了合金在長期時效后合金組織轉(zhuǎn)變與力學(xué)性能的變化，為合金的工程應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)與理論依據(jù)。

2實(shí)驗(yàn)材料與方法

本次試驗(yàn)所用K325合金化學(xué)元素含量如表1所示。合金采用真空熔煉的方法，熔煉澆鑄后，對合金進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)熱處理（1200℃/1h，水冷）進(jìn)行750℃長期時效處理，分別在時效不同時間后取出試棒，線切割后進(jìn)行磨拋后腐蝕觀察微觀組織形貌。并將樣品加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣進(jìn)行700℃拉伸實(shí)驗(yàn)。

3結(jié)果與討論

3. 1 SEM形貌組織

圖1為K325合金經(jīng)過750℃時效1000h、5000h、10000h和20000h后的SEM形貌。由圖1（a）可以看出：合金時效1000h中存在大量圓餅狀的γ″相，其分布在枝晶間與枝晶干極不均勻，在枝晶間γ″相分布較多，且尺寸較小，合金中零散的分布有針狀或者片狀δ相，此時δ相尺寸較為細(xì)小。圖1（b）為合金時效5000h后的樣品表面形貌，可以看出，合金基體內(nèi)γ″相發(fā)生長大，且數(shù)量大大減少，合金中δ相含量大大增加，此時的δ相粗化程度也有所提高。圖1（c）為合金時效10000h后的組織形貌，可以看到γ″相含量繼續(xù)降低，且γ″相的尺寸大小大大降低。圖1（d）為合金時效20000h后的組織形貌，可以看到此時基體內(nèi)無法觀察到γ″相，已經(jīng)全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣南唷?/p>

由合金在750℃下時效不同時間后γ″相的平均尺寸與平均尺寸變化做圖，根據(jù)經(jīng)典LSW理論，其規(guī)律如圖2所示?？梢钥闯靓谩逑喑叽缱兓c時效時間之間不具有線性關(guān)系，這是由于γ″相是亞穩(wěn)相，熱穩(wěn)定性較差，在較高溫度時效時會轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定相δ相，大大減少合金中γ″相的含量。

3.2力學(xué)性能

如圖3為在700℃下測定的K325合金的力學(xué)性能，分別為抗拉強(qiáng)度（TS）和屈服強(qiáng)度（YS）。由圖2可知，隨著時效時間從1000h延長至20000h，合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度分別呈現(xiàn)出先升后降的變化趨勢，在時效時間低于10000h時，合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度隨著時效時間的延長而逐漸增大， 10000h時屈服強(qiáng)度為628MPa，抗拉強(qiáng)度為777 MPa，時效時間延長至10000h后，合金的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度達(dá)逐漸下降，這是由于γ″相大量減少而硬脆相的針狀δ相大量出現(xiàn)，易生成裂紋而發(fā)生斷裂。

4結(jié)論

（1）K325在750℃長期時效過程中，隨著時效時間的延長，先析出γ″相后析出δ相，且γ″相的含量隨著δ相的析出而減少，最終完全消失。

（3）K325合金中的強(qiáng)化相主要為γ″相，γ″相的析出能夠提升合金的強(qiáng)度，且合金強(qiáng)度也受到γ″相的尺寸大小的影響，γ″相尺寸越大，對合金強(qiáng)度提升效果越低。δ相對合金強(qiáng)度提升有限。

參考文獻(xiàn)

[1] British Petroleum.2018年BP世界能源統(tǒng)計年鑒[Z].北京： British Petroleum.2018.

[2] 周蘭章.700℃超超臨界機(jī)組耐熱材料的研制現(xiàn)狀及選材思考[C]//國家700°C計劃耐熱材料第一次專題研討會論文集.北京：國家700℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟秘書處編印， 2011：13

[3] Wang C S， Guo Y A， Guo J T， et al. Investigation and improvement on structural stability and stress rupture properties of a Ni-Fe based alloy[J]. Mater.Des.2015， 88： 790-798

[4] K L Kruger. Materials for ultra super criticaland advanced ultra-supercritical powerplants.HAYNES-282 alloy[M]. American： Woodhead Publishing： 2017： 511-545.

[5] 牟義強(qiáng). K325合金δ析出行為及其對力學(xué)性能硬性[D].大連理工大學(xué)，2018.

沈陽理工大學(xué)，遼寧 沈陽 110168