CN106834990A - 一种提高镍铁铬基变形高温合金高温拉伸塑性的热处理工艺 - Google Patents

一种提高镍铁铬基变形高温合金高温拉伸塑性的热处理工艺 Download PDF

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Abstract

一种提高镍铁铬基变形高温合金高温拉伸塑性的热处理工艺，在1050～1200℃范围内保温0.5～2小时进行固溶处理；从固溶温度以0.1～20℃/min的速率冷却到γ'相析出温度以下20～150℃，保温0.5～4小时后空冷至室温；在γ'相析出温度以下150～350℃保温4～30小时，空冷至室温。本发明采用高温固溶、缓冷和低温时效相结合的方法，获得的合金组织晶粒尺寸适中，晶粒间形成弯曲的锯齿晶界，晶界均匀分布M23C6型碳化物；在高温条件下晶界具有较好的强化作用，合金可获得较高的高温拉伸塑性。

Description

一种提高镍铁铬基变形高温合金高温拉伸塑性的热处理工艺
技术领域
本发明涉及热处理技术领域，具体为一种提高镍铁铬基变形高温合金高温拉伸塑性的热处理工艺。
背景技术
为满足国民经济快速发展对电力的需求，以及应对环境保护的严峻要求，发展高效、节能、大容量、洁净环保、可靠性高的新型电站技术是当前火力发电的重要挑战，其中不断提高电站锅炉的蒸汽参数，是实现该目标的主要途径之一。目前锅炉蒸汽参数正在向650℃、700℃/35MPa以上发展，要实现高蒸汽参数机组的可靠运行，锅炉的关键管道如末级过热器、末级再热器、主蒸汽管道、集箱等的选材，主要集中在服役温度更高的镍基和镍铁基高温合金。
锅炉关键部件选材，不仅要求合金具有较好的高温强度、抗腐蚀性、抗氧化性，同时兼具较好的经济性和优良的加工性，镍铁铬基高温合金成为具有重要应用前景的合金之一。锅炉管在高温服役过中，若部件承受的应力高于合金的屈服强度，合金具有较高的高温拉伸塑性，可以在出现脆性断裂前发生塑性变形，避免突然断裂发生爆管等事故，提高锅炉管运行的安全系数。
镍铁铬基高温合金的基体为奥氏体，晶内主要利用沉淀强化相γ'(Ni3(Ti、Al))和γ"(Ni3Nb)相等进行析出强化，晶界析出M23C6型碳化物进行晶界强化，合金高温拉伸塑性的高低取决于合金晶界强化的效果。为获得较好的综合性能，主要采用的热处理制度为高温固溶处理后，采用快速空冷或水淬等方式冷却到室温；随后添加1步或者2步低温时效处理，在晶内析出强化相γ'，同时晶界析出碳化物M23C6相。此类热处理工艺获得的晶粒间晶界形状多为平直状，合金的屈服和断裂强度较高，但拉伸塑性较低。在合金成分确定的条件下，为提高镍铁铬基变形高温合金的高温拉伸塑性，有必要通过改善热处理工艺来调整合金的晶界特征，提高晶界的强度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高镍铁铬基变形高温合金高温拉伸塑性的热处理工艺，改变晶界特征，提高镍铁铬基变形高温合金高温拉伸塑性。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种提高镍铁铬基变形高温合金高温拉伸塑性的热处理工艺，将轧制变形后的镍铁铬基变形高温合金，进行高温固溶处理，然后进行缓慢冷却处理，具体是从高温固溶处理的高温固溶温度以0.1～20℃/min的速度冷却到γ'相析出温度以下20～150℃，保温0.5～4小时后，空冷至室温；最后进行低温时效处理；
其中，该合金按质量百分数计，包括：Fe 20-30％，Cr 19-25％，Al 1.5-2.0％，Ti1.0-2.5％，Nb≤2.0％，Mo≤2.0％，W≤2.0％，Si≤0.5％，Mn≤1.0，Cu≤0.5，C≤0.1％，B≤0.01％，Zr≤0.05％，P≤0.05％，稀土元素≤0.20％，其余为Ni。
本发明进一步的改进在于，所述高温固溶处理的温度为1050～1200℃，时间为0.5～2.0小时。
本发明进一步的改进在于，所述低温时效处理具体为：在γ'相析出温度以下150～350℃进行时效处理，时效处理时间为4～30小时，空冷至室温。
本发明进一步的改进在于，该热处理工艺所获得的镍铁铬基变形高温合金晶粒间的晶界为弯曲的锯齿晶界；M23C6型碳化物在晶界均匀分布。
本发明进一步的改进在于，该热处理工艺所获得的镍铁铬基变形高温合金在750℃拉伸断裂后，其延伸率不低于10％，断口收缩率不低于10％。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
本发明针对超超临界电站锅炉用镍铁铬基高温合金对高温拉伸塑性的要求，提出通过调整合金的热处理制度，在合金晶粒间获得锯齿状晶界，增强晶界强度以提高拉伸塑性，拉伸塑性主要体现为断后伸长率和断口收缩率。
在高温固溶处理后，合金的晶界一般为平直状，若随后快速冷却到室温，平直的晶界即可保留下来，在后期的低温时效处理中，形态基本不会有显著的改变。从固溶温度以缓冷的方式，冷却到γ'相形核温度以下，并在此温度以下保持一定的时间，促使γ'相形核并长大，可以促使晶界由平直状向具有一定振幅和波长的弯曲的锯齿晶界转变，由此可改善晶界的强度并提高拉伸塑性。但保温的温度和时间要相匹配，否则γ'相会过早大量形核长大，损害其他性能。本发明确定从高温固溶温度以0.1～20℃/min的速率缓慢冷却到γ'相析出温度以下20～150℃，保温0.5～4小时后空冷，可以获得一定数量的弯曲晶界。
本发明获得的合金组织晶粒和γ'相尺寸适中，晶粒间是弯曲的锯齿晶界，晶界均匀分布M23C6型碳化物；在高温条件下晶界的强化作用好，具有较高的高温拉伸塑性。
进一步的，轧制变形后的镍铁铬基高温合金的微观组织为细小的等轴晶，为获得较好的抗拉强度和持久强度，需要首先对合金进行固溶处理，一方面获得适中的晶粒尺寸，另一方面对将γ'相全部溶解到基体中，为后面进一步时效处理时控制γ'的析出和长大做准备。本发明的固溶温度在1050～1200℃内保温0.5～2.0小时，可以将γ'相全部溶解于基体中，同时晶粒可以进行再结晶并长大到合适尺寸。
进一步的，γ'相是高温合金晶内的主要强化相，时效温度太高或者时间太长，会导致γ'相粗大，造成合金的拉伸性能下降，在后期高温服役过程中γ'相会进一步长大，晶内强度降低造成穿晶断裂。在缓冷阶段，已有一定数量的γ'相析出长大，因此后期的时效温度不能太高。因此本发明低温时效工艺限定为在γ'相析出温度以下150～350℃保温4～30小时，然后空冷，可以得到尺寸和分布比较合适的γ'相。
附图说明
图1为本发明实施例1获得的镍铁铬基变形高温合金的锯齿晶界形貌；
图2为对比例1获得的镍铁铬基变形合金的平直晶界形貌。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
将轧制变形后的镍铁铬基变形高温合金，在1050～1200℃下进行高温固溶处理0.5～2.0小时，然后进行缓慢冷却处理，具体是从高温固溶处理的高温固溶温度以0.1～20℃/min的速度冷却到γ'相析出温度以下20～150℃，保温0.5～4小时后，空冷至室温；最后在γ'相析出温度以下150～350℃进行时效处理，时效处理时间为4～30小时，然后空冷至室温。
其中，该合金按质量百分数计，包括：Fe 20-30％，Cr 19-25％，Al 1.5-2.0％，Ti1.0-2.5％，Nb≤2.0％，Mo≤2.0％，W≤2.0％，Si≤0.5％，Mn≤1.0，Cu≤0.5，C≤0.1％，B≤0.01％，Zr≤0.05％，P≤0.05％，稀土元素≤0.20％，其余为Ni。
本发明的热处理工艺所获得的镍铁铬基变形高温合金晶粒间的晶界为弯曲的锯齿晶界；M23C6型碳化物在晶界均匀分布。该热处理工艺所获得的镍铁铬基变形高温合金在750℃拉伸断裂后，其延伸率不低于10％，断口收缩率不低于10％。
实施例1
参见图1，取发明内容中成分范围内的一种镍铁铬基高温合金，γ'相的析出温度为971℃。将变形后的镍铁铬基高温合金试样进行高温固溶处理，固溶温度为1150℃，保温时间为1小时；然后以4℃/min的速率缓冷到900℃，保温2h后空冷至室温；进行低温时效处理，时效温度为650℃，保温16小时后空冷至室温；随后再进行中温时效，时效温度为780℃，保温8小时后空冷至室温。合金在750℃的拉伸塑性如表1所示。
实施例2
取发明内容中成分范围内的一种镍铁铬基高温合金，γ'相的析出温度为971℃。将变形后的镍铁铬基高温合金试样进行高温固溶处理，固溶温度为1150℃，保温时间为1小时；然后以4℃/min的速率缓冷到900℃，保温2h后空冷至室温；随后进行时效，时效温度为780℃，保温时间8小时后空冷至室温。合金在750℃的拉伸塑性如表1所示。
对比例1
参见图2，取发明内容中成分范围内的一种镍铁铬基高温合金，γ'相的析出温度为971℃。将变形后的镍铁铬基高温合金试样进行高温固溶处理，固溶温度为1150℃，保温时间1.5小时后水淬；然后进行低温时效处理，时效温度为650℃，保温16小时后空冷至室温；随后再进行中温时效，时效温度为780℃，保温8小时后空冷至室温。合金在750℃的拉伸塑性如表1所示。
对比例2
取发明内容中成分范围内的一种镍铁铬基高温合金，γ'相的固溶温度为971℃。将变形后的镍铁铬基高温合金试样进行高温固溶处理，固溶温度为1150℃，保温1.5小时后水淬；然后进行低温时效处理，时效温度为780℃，保温8小时后空冷至室温。合金在750℃的拉伸塑性如表1所示。
表1是不同热处理后得到的高温合金在750℃的延伸率和断口收缩率
延伸率，％ 收缩率，％
实施例1 16.5 24.0
实施例2 16.7 14.8
对比例1 5.0 4.4
对比例2 6.6 6.0
由表1可以发现，采用本发明的热处理工艺后，与对比例的热处理工艺，变形高温合金在750℃的拉伸塑性显著提高，延伸率和断口收缩率均不低于10％。由图1和图2可知，采用本发明的热处理后，合金的晶界形成大量锯齿状的弯曲晶界；对比例热处理的合金内部为平直状晶界。

Claims (5)

1.一种提高镍铁铬基变形高温合金高温拉伸塑性的热处理工艺，其特征在于，将轧制变形后的镍铁铬基变形高温合金，进行高温固溶处理，然后进行缓慢冷却处理，具体是从高温固溶处理的高温固溶温度以0.1～20℃/min的速度冷却到γ'相析出温度以下20～150℃，保温0.5～4小时后，空冷至室温；最后进行低温时效处理；
其中，该合金按质量百分数计，包括：Fe 20-30％，Cr 19-25％，Al 1.5-2.0％，Ti 1.0-2.5％，Nb≤2.0％，Mo≤2.0％，W≤2.0％，Si≤0.5％，Mn≤1.0，Cu≤0.5，C≤0.1％，B≤0.01％，Zr≤0.05％，P≤0.05％，稀土元素≤0.20％，其余为Ni。
2.根据权利要求1所述的一种提高镍铁铬基变形高温合金高温拉伸塑性的热处理工艺，其特征在于，所述高温固溶处理的温度为1050～1200℃，时间为0.5～2.0小时。
3.根据权利要求1所述的一种提高镍铁铬基变形高温合金高温拉伸塑性的热处理工艺，其特征在于，所述低温时效处理具体为：在γ'相析出温度以下150～350℃进行时效处理，时效处理时间为4～30小时，空冷至室温。
4.根据权利要求1所述的一种提高镍铁铬基变形高温合金高温拉伸塑性的热处理工艺，其特征在于，该热处理工艺所获得的镍铁铬基变形高温合金晶粒间的晶界为弯曲的锯齿晶界；M23C6型碳化物在晶界均匀分布。
5.根据权利要求1所述的一种提高镍铁铬基变形高温合金高温拉伸塑性的热处理工艺，其特征在于，该热处理工艺所获得的镍铁铬基变形高温合金在750℃拉伸断裂后，其延伸率不低于10％，断口收缩率不低于10％。
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