CN103898426A - 一种变形镍铁铬基高温合金的热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
一种变形镍铁铬基高温合金的热处理工艺，1）在γ'相固溶温度以上100～200℃范围内保温0.5～2小时，空冷至室温；2）在γ'相固溶温度以下100～180℃保温0.5～2小时，空冷至室温；3）在γ'相固溶温度以下180～250℃保温4～20小时，空冷至室温。本发明获得的合金组织晶粒尺寸相对较大，在晶界有均匀分布的M23C6型碳化物，在高温条件下晶界的强化作用好，同时合金的显微硬度较高，具有较好的抗拉强度和持久性能。
Description
技术领域
本发明属于高温合金领域，具体为一种具有γ/γ'双相组织的变形镍铁铬基高温合金的热处理工艺。
背景技术
提高火力发电的热效率、减少CO2排放的有效途径是提高火电锅炉蒸汽参数，目前已商业运行的超超临界发电机组的蒸气参数约为600℃/25MPa左右，蒸气参数达700℃/35MPa的700℃级先进超超临界火电机组是世界各国正在大力发展的下一代机组。
700℃级先进超超临界火电机组对机组关键部件如管道、叶片、转子等对材料的高温持久特性、抗氧化和抗腐蚀性等提出了更高的要求，如要求末级过热器管材的持久强度在700℃/100MPa服役时寿命不低于1×105小时，而传统的铁素体和奥氏体不锈钢已不能满足要求。目前国内外针对这些关键部件所提出的候选合金主要是镍基高温合金（IN740H、CCA617等）和镍铁铬基高温合金（GH2984、In718等），其中镍铁铬基高温合金具有更好的经济性和加工性，具有较好的开发和应用前景。
镍铁铬基高温合金的基体为奥氏体，主要的沉淀强化相有γ'（Ni3(Ti、Al)）和γ"(Ni3Nb)相两类。此外，还有微量碳化物、硼化物、Laves（如Fe2Nb)相和δ相等。与镍基高温合金组织相比，镍铁铬基合金中相组织较复杂、稳定性较差，容易析出η(如Ni3Ti)、σ(如FexCry)、G(如Fe6Ni16Si7)、μ(如Fe7Mo6)和Laves等有害相。对变形镍铁铬基高温合金而言，为获得合适的抗拉强度和持久强度，必须通过不同的热处理工艺调整合金在变形后的晶粒大小和析出强化相的种类和分布，获得变形合金的最佳组织匹配，满足其服役使用的组织和性能要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够获得较佳的晶内和晶界的组织匹配，提高合金拉伸和持久强度的变形镍铁铬基高温合金的热处理工艺。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
1）取申请号为：201310397115.4，名称为：一种低膨胀抗氧化NiFeCr基高温合金及其制备方法制成的变形镍铁铬基高温合金；
2）第一次进炉高温固溶处理：在γ'相固溶温度以上100～200℃内保温0.5～2.0小时，然后合金试样出炉，进行空冷至室温；
3）第二次进炉高温时效处理：在γ'相固溶温度以下100～180℃内保温0.5～2.0小时，然后合金试样出炉，进行空冷至室温；
4）第三次进炉低温时效处理：在γ'相固溶温度以下180～250℃内保温4～20小时，然后合金试样出炉，进行空冷至室温得到变形镍铁铬基高温合金。
所获得的变形镍铁铬基高温合金的晶粒尺寸不大于120微米。
所获得的变形镍铁铬基高温合金的强化相γ′(Ni3(Al,Ti))尺寸不大于90纳米，平均尺寸不大于70纳米；M23C6型碳化物在晶界均匀分布。
所获得的变形镍铁铬基高温合金的显微硬度不低于360HV。
本发明针对超超临界电站用γ/γ'双相镍铁铬基高温合金，通过对变形后的合金进行三阶段的热处理，以获得较佳的晶内和晶界的组织匹配，提高合金的拉伸和持久强度。
变形后的镍铁铬基高温合金的宏观组织为细小的晶粒，显微组织由奥氏体基体和γ'相、碳化物等相组成。固溶处理的目的是将γ'相全部溶解到基体中，为后面进一步退火时析出细小均匀的γ'做准备；同时随着固溶温度的升高和时间的增长，晶粒会进一步长大，相对较大的晶粒度对合金持久性能的提高有一定的帮助，但温度太高或时间太长，会导致奥氏体晶粒过于粗大，晶界氧化严重，反不利于获得较平衡的高温拉伸性能。本发明限定的固溶处理温度为γ'相固溶温度以上100～200℃范围内，保温0.5～2小时，既可保证γ'相充分固溶，同时也能使晶粒尺寸的长大得到有效控制，还有于节约能源。
晶界是变形合金在长期服役过程中相对较薄弱的环节，为提高合金的拉伸和持久强度，必须防止合金沿晶断裂，利用M23C6碳化物来强化晶界是有效方式之一。碳化物的形貌和分布受析出温度和时间的控制，对性能的影响很大。本发明确定新型镍铁铬基高温合金的时效工艺为在γ'相固溶温度以下100～180℃保温0.5～2小时，可使碳化物连续均匀分布在晶界最大程度的提高持久性能。
γ'相析出强化是合金晶内强化的主要方式，γ'相的尺寸和体积分数与性能密切相关，由热处理时的时效温度、时效时间和时效后的冷却方式决定。时效温度太高或者时间太长会导致γ'相尺寸粗大，合金的性能稳定性较差；而时效后采取较快的冷却方式可以获得尺寸较小的γ'相，有利于获得较高的拉伸强度，但过快的冷却如水冷或油冷会使合金中产生微裂纹。因此本发明低温时效工艺限定为在γ'相固溶温度以下180～250℃保温4～20小时，然后空冷。可以得到尺寸和分布比较合适的γ'相。
本发明的技术优点是：本发明获得的合金组织晶粒尺寸相对较大，在晶界有均匀分布的M23C6型碳化物，在高温条件下晶界的强化作用好，同时合金的显微硬度较高，具有较好的抗拉强度和持久性能。
附图说明
图1为本发明高温合金材料热处理工艺示意图；
图2为本发明得到的合金的宏观组织形貌图；
图3为本发明得到的合金的强化相γ′和晶界析出相M23C6型碳化物。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
实施例1：
参见图1，采用申请号为：201310397115.4，名称为：一种低膨胀抗氧化NiFeCr基高温合金及其制备方法制成的变形镍铁铬基高温合金，γ'相的固溶温度为984℃，将变形后的镍铁铬基高温合金试样第一次进炉：进行高温固溶处理，固溶温度为1150℃，保温时间为1小时，然后合金试样出炉，进行空冷至室温；第二次进炉：进行高温时效处理，时效温度为840℃，保温时间为1小时，然后合金试样出炉，进行空冷至室温；第三次进炉：进行低温时效处理，时效温度为780℃，保温时间为16小时，然后合金试样出炉，进行空冷至室温。热处理后的组织特征和显微硬度见表1。
实施例2：
采用申请号为：201310397115.4，名称为：一种低膨胀抗氧化NiFeCr基高温合金及其制备方法制成的变形镍铁铬基高温合金，γ'相的固溶温度为995℃，将变形后的镍铁铬基合金试样第一次进炉：进行高温固溶处理，固溶温度为1150℃，保温时间为1小时，然后合金试样出炉，进行空冷至室温；第二次进炉：进行高温时效处理，时效温度保持在840℃，保温时间为1小时，然后合金试样出炉，进行空冷至室温；第三次进炉：进行低温时效处理，时效温度为780℃，保温时间为8小时，然后合金试样出炉，进行空冷至室温。热处理后的组织特征和显微硬度见表1。
实施例3：
采用申请号为：201310397115.4，名称为：一种低膨胀抗氧化NiFeCr基高温合金及其制备方法制成的变形镍铁铬基高温合金，γ'相的固溶温度为995℃，将变形后的镍铁铬基高温合金试样第一次进炉：进行高温固溶处理，固溶温度为1150℃，保温时间为1小时，然后合金试样出炉，进行空冷至室温；第二次进炉：进行高温时效处理，时效温度为860℃，保温时间为0.5小时，然后合金试样出炉，进行空冷至室温；第三次进炉：进行低温时效处理，时效温度为780℃，保温时间为16小时，然后合金试样出炉，进行空冷至室温。热处理后的组织特征和显微硬度见表1。
比较实施例4
采用申请号为：201310397115.4，名称为：一种低膨胀抗氧化NiFeCr基高温合金及其制备方法制成的变形镍铁铬基高温合金，γ'的固溶温度为984℃，将变形后的镍铁基合金试样第一次进炉：进行高温固溶处理，固溶温度保持在1100℃，保温时间为1小时，然后合金试样出炉，进行空冷至室温；第二次进炉：进行高温时效处理，时效温度保持为800℃，保温时间为16小时，然后合金试样出炉，进行空冷至室温。热处理后的组织特征和显微硬度见表1。
比较实施例5
采用申请号为：201310397115.4，名称为：一种低膨胀抗氧化NiFeCr基高温合金及其制备方法制成的变形镍铁铬基高温合金，γ'的固溶温度为995℃，将变形后的镍铁铬基合金试样第一次进炉：进行高温固溶处理，固溶温度保持在1100℃，保温时间为1小时，然后合金试样出炉，进行空冷至室温；第二次进炉：进行高温时效处理，时效温度保持为800℃，保温时间为16小时，然后合金试样出炉，进行空冷至室温。热处理后的组织特征和显微硬度见表1。
表1是本发明热处理后得到的组织特征和显微硬度
由图2和图3可知，实验合金材料热处理后的晶粒尺寸小于120微米，组织特征为γ/γ′双相结构：基体是无序面心结构的奥氏体(γ)，奥氏体中弥散分布着有序结构的γ′(Ni3(Al,Ti))(不规则球状相)，强化相γ′(Ni3(Al,Ti))尺寸不大于90纳米，平均尺寸不大于70纳米；M23C6型碳化物在晶界均匀分布，显微硬度高于360HV。
Claims (4)
1.一种变形镍铁铬基高温合金的热处理工艺，其特征在于包括如下步骤：
1）取申请号为：201310397115.4，名称为：一种低膨胀抗氧化NiFeCr基高温合金及其制备方法制成的变形镍铁铬基高温合金；
2）第一次进炉高温固溶处理：在γ'相固溶温度以上100～200℃内保温0.5～2.0小时，然后合金试样出炉，进行空冷至室温；
3）第二次进炉高温时效处理：在γ'相固溶温度以下100～180℃内保温0.5～2.0小时，然后合金试样出炉，进行空冷至室温；
4）第三次进炉低温时效处理：在γ'相固溶温度以下180～250℃内保温4～20小时，然后合金试样出炉，进行空冷至室温得到变形镍铁铬基高温合金。
2.根据权利要求1所述的变形镍铁铬基高温合金的热处理工艺，其特征在于：所获得变形镍铁铬基高温合金的晶粒尺寸不大于120微米。
3.根据权利要求1所述的变形镍铁铬基高温合金的热处理工艺，其特征在于：所获得的变形镍铁铬基高温合金的强化相γ′(Ni3(Al,Ti))尺寸不大于90纳米，平均尺寸不大于70纳米；M23C6型碳化物在晶界均匀分布。
4.根据权利要求1所述的变形镍铁铬基高温合金的热处理工艺，其特征在于：所获得的变形镍铁铬基高温合金的显微硬度不低于360HV。
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