CN104263998B - 一种镍-铁-铬-硼系高温合金的热处理工艺 - Google Patents

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Abstract

一种镍-铁-铬-硼系高温合金的热处理工艺，在合金初熔温度以下100～200℃内对合金保温0.5h～2.0h以进行高温固溶处理，随后空冷至室温；接着在高于合金非强化相α-Cr析出温度且低于合金强化相M23C6析出温度的温度范围内保温6h～24h以进行中温时效处理，随后空冷至室温，完成对合金的热处理。本发明对合金采用高温固溶处理和中温时效处理的方法，经处理后的合金晶界均匀分布大量M23C6型碳化物，合金750℃长期热暴露后的组织稳定，显微硬度波动较小；同时使合金在析出大量强化相的同时有效抑制非强化相的析出，保证了组织的长期稳定性及强度；本发明热处理工艺相对简单，取消了中间处理等环节，可以进一步缩短工艺流程、提高生产效率、降低能源消耗。

Description

一种镍-铁-铬-硼系高温合金的热处理工艺
技术领域
本发明属于金属热处理加工技术领域，特别涉及一种镍-铁-铬-硼系高温合金的热处理工艺。
背景技术
在发展700℃级超超临界电站的过程中，具有优异的高温强度和抗氧化腐蚀性能的高温材料的开发至关重要，是实现机组可靠运行的关键。对于服役条件最苛刻的过/再热器高温段，传统的铁素体耐热钢和奥氏体耐热钢已不再适用，镍-钴基、镍基及镍-铁基合金成为目前主要的三类候选材料。已有研究表明，这类合金在高温、长期运行条件下的断裂方式多为沿晶开裂，因此对晶界的强化成为目前研究的一个热点。其中，镍-铁-铬-硼系合金通过添加适量的铬与硼元素稳定晶界，提高晶界强度，并用铁取代部分镍从而大幅度降低生产成本，具有较好的应用前景。
镍-铁-铬-硼系合金富集铬与硼元素，在热处理过程中易形成硼化物(如MB2、M3B2)、α-Cr及σ相等第二相。这些析出相的存在一方面会剥夺强化相γ’及M23C6等的形成元素，如Cr、Ti等，减少强化相的数量；另一方面由于其自身形貌、析出位置等原因往往会损害合金的力学性能，进而影响材料的使用寿命。因此，合理的热处理制度成为保证合金在析出大量强化相的同时不析出或少析出上述非强化相，进而拥有优异的力学性能的关键。据此，如何制定热处理工艺，使合金能够保持长期的组织稳定性成为本发明的一个关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种镍-铁-铬-硼系高温合金的热处理工艺，该工艺能够消除或减少热处理过程中的非强化相，保证材料的长期组织稳定性以及高强性。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：首先，在合金初熔温度以下100～200℃内对合金保温0.5h～2.0h以进行高温固溶处理，随后空冷至室温；接着在高于合金非强化相α-Cr析出温度且低于合金强化相M23C6析出温度的温度范围内保温6h～24h以进行中温时效处理，随后空冷至室温，完成对合金的热处理。
所述的合金的化学成分满足如下要求：按质量分数，含有18％～27％的Fe，20％～25％的Cr，1.2％～1.8％的Ti，1.0％～1.5％的Al，≤1.5％的Nb，0.5％～1.5％的Mo，≤0.5％的W，≤0.5％的Si，≤0.5％的Mn，≤0.05％的Zr，≤0.06％的C，≤0.01％的B，其余为Ni。
所述的合金的化学成分满足如下要求：按质量分数，含有25％的Fe，22％的Cr，1.5％的Ti，1.3％的Al，0.8％的Nb，0.8％的Mo，0.2％的W，0.1％的Si，0.3％的Mn，0.02％的Zr，0.03％的C，0.005％的B，其余为Ni。
所述的合金的化学成分满足如下要求：按质量分数，含有20％的Fe，22％的Cr，1.5％的Ti，1.3％的Al，1.2％的Nb，0.8％的Mo，0.2％的W，0.01％的Si，0.3％的Mn，0.02％的Zr，0.03％的C，0.003％的B，其余为Ni。
合金热处理后的晶界上均匀分布M23C6型强化相，显微硬度平均值在300Hv以上。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明依次对合金进行一次高温固溶处理和一次中温时效处理的方法，经处理后的合金晶界均匀分布大量M23C6型碳化物，合金750℃长期热暴露后的组织稳定，显微硬度波动较小；同时使合金在析出大量强化相的同时有效抑制非强化相的析出，保证了组织的长期稳定性及强度；此外，本发明热处理工艺相对简单，取消了中间处理等环节，可以进一步缩短工艺流程、提高生产效率、降低能源消耗。
附图说明
图1为实施例1中合金1经热处理后的显微组织图；
图2为实施例1中合金1经热处理及750℃/500h热暴露后的显微组织图；
图3为实施例1中合金1经热处理及750℃/500h热暴露后的显微硬度图；其中，a为本实施例1工艺处理过的合金1的结果，b为本发明处理的合金1经过750℃热暴露500h的结果。
图4为本实施例2中合金2经热处理后的显微组织图；
图5为本实施例2中合金2经热处理及750℃/500h热暴露后的显微组织图；
图6为本实施例2中合金2经热处理及750℃/500h热暴露后的显微硬度图；其中，a为本实施例2工艺处理过的合金1的结果，b为本发明处理的合金2经过750℃热暴露500h的结果。
具体实施方式
本发明镍-铁-铬-硼系高温合金的热处理工艺，首先，将合金放入高温热处理炉中，在合金初熔温度以下100～200℃内对合金保温0.5h～2.0h以进行高温固溶处理，随后空冷至室温；高温固溶处理具体参数的选择随成分的变动而异，但必须保证不出现硼化物或液相，随后空冷至室温；合金的化学成分满足如下要求：按质量分数，含有18％～27％的Fe，20％～25％的Cr，1.2％～1.8％的Ti，1.0％～1.5％的Al，≤1.5％的Nb，0.5％～1.5％的Mo，≤0.5％的W，≤0.5％的Si，≤0.5％的Mn，≤0.05％的Zr，≤0.06％的C，≤0.01％的B，其余为Ni。合金的晶界上均匀分布M23C6型强化相，显微硬度平均值在300Hv以上。
接着，在高于合金非强化相α-Cr析出温度且低于合金强化相M23C6析出温度的温度范围内保温6h～24h以进行中温时效处理，随后空冷至室温，完成对合金的热处理；其中，具体参数的选择随成分的变动而异，但必须保证不出现α-Cr等非强化相且M23C6数量尽可能地多，随后空冷至室温。
下面结合实施例对本发明做进一步的详细描述。
表1为以下实施例中所用合金化学成分
实施例1：
所采用的镍-铁-铬-硼系高温合金1的初熔温度为1299℃，M23C6及α-Cr的析出温度分别为846℃、760℃。据此，先将合金锻件放入高温热处理炉中进行高温固溶处理，高温固溶处理温度为1160℃，保温时间为1h；待试样空冷至室温后再次放入高温热处理炉中进行中温时效处理，中温时效处理温度为800℃，保温时间为8h，再次空冷至室温，完成对合金的热处理。
经上述热处理后，合金1的组织为奥氏体基体γ+γ'+M23C6(见图1)，没有发现硼化物和α-Cr等析出相。
将经上述热处理的合金1样品在750℃条件下热暴露500h。图2为合金1经热处理及750℃/500H热暴露后的显微组织。由图可见，经500h热暴露实验后，合金的组织依然为γ+γ'+M23C6，特别是晶界强化相M23C6的形貌及尺寸均没有发生明显变化，保证了其良好的强化效果。此外，对经热处理及热暴露的试样进行显微硬度的测定，结果如图3所示。由对比图3a和图3b，合金1热暴露前后的显微硬度保持在310Hv附近，上下浮动约为20Hv。由显微组织及显微硬度分析可知，经本实施例1热处理后的合金1组织的长期稳定性较好，硬度值较高且波动较小，可以满足使用要求。
实施例2：
所采用的镍-铁-铬-硼系高温合金2的初熔温度为1289℃，M23C6及α-Cr的析出温度分别为837℃和745℃。据此，先将合金锻件放入高温热处理炉中进行高温固溶处理，高温固溶处理温度为1160℃，保温时间为1h；等试样空冷至室温后再次放入热处理炉中进行中温时效处理，中温时效处理温度为780℃，保温时间为8h，再次空冷至室温，完成对合金的热处理。
经上述热处理后，合金的组织为奥氏体基体γ+γ'+M23C6(见图4)，没有发现硼化物和α-Cr等析出相。
将经上述热处理的合金2在750℃条件下热暴露500h。图5为合金2经热处理及750℃/500h热暴露后的显微组织。由图可见，经500h热暴露实验后，合金2的组织依然为γ+γ'+M23C6，特别是晶界强化相M23C6的形貌及尺寸均没有发生明显变化，无有害相析出，保证了良好的强化效果。此外，对经热处理及热暴露试样进行显微硬度的测定，结果如图6所示。对比图6a和图6b可见，合金2热暴露前后的显微硬度保持在325Hv附近，上下浮动约为10Hv。由显微组织及显微硬度分析可知，经实施例热处理后的合金2组织的长期稳定性较好，硬度值较高且波动较小，可以满足使用要求。
实施例3：
所采用的镍-铁-铬-硼系高温合金2的初熔温度为1289℃，M23C6及α-Cr的析出温度分别为837℃和745℃。据此，先将合金锻件放入高温热处理炉中进行高温固溶处理，高温固溶处理温度为1189℃，保温时间为0.5h；等试样空冷至室温后再次放入热处理炉中进行中温时效处理，中温时效处理温度为800℃，保温时间为24h，再次空冷至室温，完成对合金的热处理。
实施例4：
所采用的镍-铁-铬-硼系高温合金1的初熔温度为1299℃，M23C6及α-Cr的析出温度分别为846℃、760℃。据此，先将合金锻件放入高温热处理炉中进行高温固溶处理，高温固溶处理温度为1099℃，保温时间为2h；待试样空冷至室温后再次放入高温热处理炉中进行中温时效处理，中温时效处理温度为820℃，保温时间为6h，再次空冷至室温，完成对合金的热处理。

Claims (4)

1.一种镍-铁-铬-硼系高温合金的热处理工艺，其特征在于：首先，在合金初熔温度以下100～200℃内对合金保温0.5h～2.0h以进行高温固溶处理，随后空冷至室温；接着在高于合金非强化相α-Cr析出温度且低于合金强化相M23C6析出温度的温度范围内保温6h～24h以进行中温时效处理，随后空冷至室温，完成对合金的热处理；
所述的合金的化学成分满足如下要求：按质量分数，含有18％～27％的Fe，20％～25％的Cr，1.2％～1.8％的Ti，1.0％～1.5％的Al，≤1.5％的Nb，0.5％～1.5％的Mo，≤0.5％的W，≤0.5％的Si，≤0.5％的Mn，≤0.05％的Zr，≤0.06％的C，≤0.01％的B，其余为Ni。
2.根据权利要求1所述的镍-铁-铬-硼系高温合金的热处理工艺，其特征在于：所述的合金的化学成分满足如下要求：按质量分数，含有25％的Fe，22％的Cr，1.5％的Ti，1.3％的Al，0.8％的Nb，0.8％的Mo，0.2％的W，0.1％的Si，0.3％的Mn，0.02％的Zr，0.03％的C，0.005％的B，其余为Ni。
3.根据权利要求1所述的镍-铁-铬-硼系高温合金的热处理工艺，其特征在于：所述的合金的化学成分满足如下要求：按质量分数，含有20％的Fe，22％的Cr，1.5％的Ti，1.3％的Al，1.2％的Nb，0.8％的Mo，0.2％的W，0.01％的Si，0.3％的Mn，0.02％的Zr，0.03％的C，0.003％的B，其余为Ni。
4.根据权利要求1所述的镍-铁-铬-硼系高温合金的热处理工艺，其特征在于：合金热处理后的晶界上均匀分布M23C6型强化相，显微硬度平均值在300Hv以上。
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