CN111304568B - 一种提高电站用Ni3Al沉淀强化型铁镍基合金持久性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属材料热处理及力学性能技术领域，具体为一种提高电站用Ni3Al沉淀强化型铁镍基合金持久性能的方法。本发明包括两步高温热处理、低温热处理和中温热处理；所述的第一步高温热处理，将待处理的Ni3Al沉淀强化型铁镍基合金加热到合金再结晶温度至1200℃，保温5～60min后，水冷至室温；第二步高温热处理，将经过第一步高温热处理的合金加热到950℃至合金再结晶温度，保温30～120min后，水冷或空冷至室温；两步高温处理的温度范围均不包括再结晶温度；再经过低温热处理和中温热处理空冷至室温，完成电站用Ni3Al沉淀强化型铁镍基合金持久性能的提高。本发明设计合理，操作方便，主要通过对晶粒尺寸及强化相Ni3Al尺寸的优化提高合金高温持久性能。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料热处理及力学性能技术领域，具体为一种提高电站用Ni3Al沉淀强化型铁镍基合金持久性能的方法。
背景技术
随着煤炭资源的日益紧张以及国家节能减排方针的大力实施，燃煤发电系统需要不断提高锅炉的温度和蒸汽压力，以达到低能耗、高效率、降排放的目标。按照技术成熟程度和经济性比较看，采用带烟气净化装置的超超临界发电机组是满足电力工业对大容量绿色煤电设备的最佳选择。目前正在开发的700℃先进超超临界技术，其净效率可达53％，每度电的CO2排放量要比现在世界的平均水平低42gce/kwh，将全面提升燃烧发电设备的设计和制造水平，为制造厂和电厂带来巨大的经济效益，并为环境保护做出巨大贡献。
与超超临界技术相比，先进超超临界技术在发电装备布局上的差别不大，真正的考验是材料，需要耐受更高温度、更大压力。其中，锅炉过热器和再热器管是电站机组中所处环境最为恶劣的部件，对于蒸汽温度在700℃等级的超超临界锅炉，末级过/再热器的设计工作温度高达740～760℃。基于电厂运行安全性的考虑，这类部件最基本的材料性能指标是：在750℃下，10万小时持久强度不低于80～100MPa。在此条件下，传统的铁素体和奥氏体耐热钢已经不能满足要求，必须使用承温能力更强的镍基及铁-镍基合金。镍基候选合金通常可以满足持久强度、抗蚀性和结构稳定性等方面的要求，但冶炼和热加工技术要求高、价格昂贵、焊接性能亦有待评估。与之相比，铁镍基合金易于加工、价格便宜，但与镍基合金相比其力学性能相对略低。
对于此类Ni3Al沉淀强化型多晶材料，晶粒尺寸及Ni3Al相相参量是影响合金力学性能，特别是高温持久性能的重要因素。对于已有的镍基候选高温合金，由于大量添加了诸如Co、W等高强元素，高温持久性能等均满足使用要求，因此少有研究关注晶粒尺寸及Ni3Al相相参量对合金持久性能的影响。汪力等人的研究表明，随着固溶温度的升高，700℃超超临界蒸汽轮机叶片用Waspaloy合金晶粒尺寸不断长大，强度不断下降(汪力.700℃超超临界蒸汽轮机叶片用Waspaloy合金组织与性能研究[D].2016.)；徐志超等人的研究指出偏大的晶粒尺寸会对GH169合金产生明显的持久缺口敏感性，进而降低其持久强度(徐志超,屈波,谢锡善,et al.晶粒大小及Mg对GH169合金持久与缺口周期持久性能的影响[J].工程科学学报,1987(4):42-48.)。针对Ni3Al相，其颗粒直径多在20～30nm之间，尺寸较小(王淑荷，杜秀魁，许惠珍，郭建亭，胡秋文.GH984耐高温腐蚀管材合金的热处理工艺[J].材料热处理学报,1995(3):51-54；谢锡善,赵双群,董建新,et al.超超临界电站用Inconel 740镍基合金的组织稳定性及其改型研究[J].动力工程学报,2011(08):87-92.；赵双群,符锐,林富生.700℃先进超超临界锅炉过热器管用新型镍基高温合金GH750的组织和性能研究[J].钢管,2017,46(6).)。
现有先进超超临界机组镍基候选合金晶粒尺寸多为40～80μm，Ni3Al相尺寸多为20～30nm。目前研发的铁镍基合金一般采用和镍基合金相似的晶粒尺寸及Ni3Al相尺寸，上述晶粒尺寸及Ni3Al相尺寸值多根据经验确定，并且根据上述的常规技术手段和公知常识，指出其值即为对应较高合金持久性能的最佳组合。然而，由于成分上的不同，在同等试验条件下铁镍基合金高温持久性能相对较低，不能完全满足机组参数对新材料的要求。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种提高电站用Ni3Al沉淀强化型铁镍基合金持久性能的方法，设计合理，操作方便，主要通过对晶粒尺寸及强化相Ni3Al尺寸的优化提高合金高温持久性能。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种提高电站用Ni3Al沉淀强化型铁镍基合金持久性能的方法，包括以下步骤：
步骤1)，两步高温热处理：
第一步高温热处理，将待处理的Ni3Al沉淀强化型铁镍基合金加热到合金再结晶温度至1200℃，保温5～60min后，水冷至室温；
第二步高温热处理，将经过第一步高温热处理的合金加热到950℃至合金再结晶温度，保温30～120min后，水冷或空冷至室温；
两步高温处理的温度范围均不包括再结晶温度；
步骤2)，低温热处理：
将经过两步高温热处理的合金加热到600～750℃，保温8～24h后，空冷至室温；
步骤3)中温热处理：
将经过低温热处理的合金加热到800℃至Ni3Al相及M23C6相析出温度中较低的温度，保温16～24h后，空冷至室温；完成电站用Ni3Al沉淀强化型铁镍基合金持久性能的提高。
进一步的，所述Ni3Al沉淀强化型铁镍基合金的组成按质量分数计为：Fe 25-30％，Cr 20-25％，Al 0.5-2.5％，Si 0.01-0.08％，Ti 1.0-2.5，Nb 1.0-2.0，Mo 0-1.0％，W 0-1.0％，Mn 0-1.0％，C≤0.1％，其余为Ni。
进一步的，经过上述热处理制备的合金晶粒尺寸为120～180μm，同时合金主要强化相Ni3Al直径尺寸为50～80nm。
进一步的，通过上述热处理获得的晶粒尺寸为120～180μm，同时Ni3Al颗粒直径50～80nm的合金在同等测试条件下持久性能与不具备上述晶粒及Ni3Al尺寸的合金相比提高30％及以上。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
对于使用温度在700～750℃范围的合金，晶界及晶内强度相当，这表明二者均可能成为合金发生断裂的薄弱区域。本发明通过两步高温热处理控制晶粒尺寸，在增大晶粒尺寸，减少晶界面积，降低晶界薄弱性能的同时保证了在后续处理中仍有足够的晶界区域可以析出促使晶界得到强化的M23C6型碳化物，进而提高合金晶界强度；通过一定时长的低温热处理保证Ni3Al相的大量形核，再通过合适的中温热处理促使Ni3Al相快速长大，增强其对位错的阻碍作用，进一步提高合金晶内强度。考虑到过长时间的热处理会增加合金制造成本，因此对于低温及中温热处理的温度及时长要相互配合。
利用现有方法处理得到的合金最终晶粒尺寸范围为120～180μm，Ni3Al相颗粒直径范围为50～80nm。该方法的实施可以在不改变铁镍基合金成分的基础上通过对晶粒尺寸及Ni3Al相尺寸的双重控制达到提高晶界、晶内强度，从而显著提高合金高温持久性能的目的；此外，该方法的实施对合金室温及高温拉伸性能等不会造成明显的不利影响。因此，可在此类型合金热处理领域进行推广。
附图说明
图1为本发明实施例1获得的Ni3Al沉淀强化型铁镍基合金晶粒形貌；
图2为本发明实施例1获得的Ni3Al沉淀强化型铁镍基合金Ni3Al相形貌；
图3为本发明比较实施例3获得的Ni3Al沉淀强化型铁镍基合金晶粒形貌；
图4为本发明比较实施例3获得的Ni3Al沉淀强化型铁镍基合金Ni3Al相形貌。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
对于700℃电站用合金，晶粒尺寸及Ni3Al相尺寸多沿用经验值。针对类似合金，有研究指出随着晶粒尺寸增大合金持久性能不断下降，同时也成为本领域技术人员的公知常识；本发明针对Ni3Al沉淀强化型铁镍基合金提出一种通过同时控制晶粒尺寸大小和Ni3Al相的尺寸，实现对材料持久性能的大幅度提升；此类材料持久性能的影响未见公开报道。对于使用环境温度700-750℃来说，属于相关合金的敏感温区，本发明中的晶界强度及晶内强度相当，晶粒大小适宜，通过晶界面积一定程度的减少反而提高了合金力学性能；通过Ni3Al相的长大控制，使其达到一定程度，增强其抵抗变形的能力。
实施例1
所采用铁镍基合金再结晶温度为1060℃，Ni3Al析出温度为960℃，M23C6析出温度为850℃。
首先，对合金在1200℃开展时长5min的第1步高温热处理，随后水冷至室温；其次，在1020℃开展时长30min的第2步高温热处理，随后空冷至室温；再次，在700℃开展时长12h的低温热处理，随后空冷至室温；最后，在840℃开展时长24h的中温热处理，随后空冷至室温。如图1和图2所示，通过上述热处理获得的晶粒尺寸约170μm，Ni3Al相颗粒尺寸约75nm。
对上述试样在775℃/160MPa开展持久性能测试，持久断裂时间约为1430h。
比较实施例1
所采用铁镍基合金再结晶温度为1060℃，Ni3Al析出温度为960℃，M23C6析出温度为850℃。
首先，对合金在1150℃开展时长60min的第1步高温热处理，随后水冷至室温；其次，在980℃开展时长120min的第2步高温热处理，随后水冷至室温；再次，在600℃开展时长8h的低温热处理，随后空冷至室温；最后，在820℃开展时长4h的中温热处理，随后空冷至室温。通过上述热处理获得的晶粒尺寸约150μm，Ni3Al相颗粒尺寸约32nm。
对上述试样在775℃/160MPa开展持久性能测试，持久断裂时间约为654h。
在实施例1中和比较实施例1中，通过热处理获得的两种合金试样晶粒尺寸差异相对较小，分别为170及150μm，Ni3Al相颗粒尺寸相差超过2倍。在775℃/160MPa条件下持久断裂时间相差超过2倍。上述比较说明了Ni3Al相尺寸变化对合金持久性能影响的重要性，同时也说明了本发明热处理对持久性能的极大提升。
比较实施例2
所采用铁镍基合金再结晶温度为1060℃，Ni3Al析出温度为960℃，M23C6析出温度为850℃。
首先，对合金在1065℃开展时长120min的第1步高温热处理，随后水冷至室温；其次，在1000℃开展时长60min的第2步高温热处理，随后水冷至室温；再次，在650℃开展时长16h的低温热处理，随后空冷至室温；最后，在820℃开展时长20h的中温热处理，随后空冷至室温。通过上述热处理获得的晶粒尺寸约60μm，Ni3Al相颗粒尺寸约62nm。
对上述试样在775℃/160MPa开展持久性能测试，持久断裂时间约为984h。
在实施例1和比较实施例2中，通过热处理获得的两种合金试样晶粒尺寸差异显著，分别为170及60μm，Ni3Al相颗粒尺寸较为接近，分别为70及62nm。在775℃/160MPa条件下持久断裂时间相差超过1.4倍。上述比较说明了晶粒尺寸变化对合金持久性能影响的重要性，同时也说明了本发明热处理对持久性能的极大提升。
比较实施例1与比较实施例2同时与实施例1相比，断裂时间都相对较短，更进一步的说明了本发明热处理对合金的晶粒尺寸和Ni3Al相尺寸的协同调整，极大的提升了合金的持久性能。
实施例2
所采用铁镍基合金再结晶温度为1000℃，Ni3Al析出温度为920℃，M23C6析出温度为820℃。
首先，对合金在1120℃开展时长20min的第1步高温热处理，随后水冷至室温；其次，在990℃开展时长30min的第2步高温热处理，随后空冷至室温；再次，在750℃开展时长8h的低温热处理，随后空冷至室温；最后，在800℃开展时长16h的中温热处理，随后空冷至室温。通过上述热处理获得的晶粒尺寸约120μm，Ni3Al相颗粒尺寸约50nm。
对上述试样在750℃/180MPa开展持久性能测试，持久断裂时间约为769h。
比较实施例3
所采用铁镍基合金再结晶温度为1000℃，Ni3Al析出温度为920℃，M23C6析出温度为820℃。
首先，对合金在1020℃开展时长60min的第1步高温热处理，随后水冷至室温；其次，在950℃开展时长30min的第2步高温热处理，随后空冷至室温；再次，在650℃开展时长12h的低温热处理，随后空冷至室温；最后，在810℃开展时长4h的中温热处理，随后空冷至室温。如图3和图4所示，通过上述热处理获得的晶粒尺寸约70μm，Ni3Al相颗粒尺寸约25nm。
对上述试样在750℃/180MPa开展持久性能测试，持久断裂时间约为363h。
在实施例2和比较实施例3中，通过热处理获得的两种合金试样晶粒尺寸及Ni3Al相尺寸差异显著，其中，晶粒尺寸分别为120及70μm，Ni3Al相颗粒尺寸分别为50及25nm。二者在750℃/180MPa条件下持久断裂时间相差超过2倍。上述比较说明了本发明热处理对合金的晶粒尺寸和Ni3Al相尺寸的协同调整，极大的提升了合金的持久性能。
实施例3
所采用铁镍基合金再结晶温度为1075℃，Ni3Al析出温度为980℃，M23C6析出温度为830℃。
首先，对合金在1140℃开展时长30min的第1步高温热处理，随后水冷至室温；其次，在1000℃开展时长60min的第2步高温热处理，随后水冷至室温；再次，在650℃开展时长24h的低温热处理，随后空冷至室温；最后，在820℃开展时长16h的中温热处理，随后空冷至室温。通过上述热处理获得的晶粒尺寸约135μm，Ni3Al相颗粒尺寸约55nm。
对上述试样在750℃/150MPa开展持久性能测试，持久断裂时间约为4003h。
实施例4
所采用铁镍基合金再结晶温度为1020℃，Ni3Al析出温度为980℃，M23C6析出温度为830℃。
首先，对合金在1180℃开展时长30min的第1步高温热处理，随后水冷至室温；其次，在950℃开展时长120min的第2步高温热处理，随后水冷至室温；再次，在600℃开展时长16h的低温热处理，随后空冷至室温；最后，在840℃开展时长24h的中温热处理，随后空冷至室温。通过上述热处理获得的晶粒尺寸约180μm，Ni3Al相颗粒尺寸约80nm。
对上述试样在775℃/160MPa开展持久性能测试，持久断裂时间约为1390h。
Claims (1)
1.一种提高电站用Ni3Al沉淀强化型铁镍基合金持久性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)，两步高温热处理：
第一步高温热处理，将待处理的Ni3Al沉淀强化型铁镍基合金加热到合金再结晶温度至1200℃，保温5～60min后，水冷至室温；
第二步高温热处理，将经过第一步高温热处理的合金加热到950℃至合金再结晶温度，保温30～120min后，水冷或空冷至室温；
两步高温处理的温度范围均不包括再结晶温度；
步骤2)，低温热处理：
将经过两步高温热处理的合金加热到600～750℃，保温8～24h后，空冷至室温；
步骤3)中温热处理：
将经过低温热处理的合金加热到800℃至Ni3Al相及M23C6相析出温度中较低的温度，保温16～24h后，空冷至室温；完成电站用Ni3Al沉淀强化型铁镍基合金持久性能的提高；经过上述热处理制备的合金晶粒尺寸为120～180μm，同时合金主要强化相Ni3Al直径尺寸为50～80nm；在同等测试条件下持久性能与不具备上述晶粒及Ni3Al尺寸的合金相比提高30％及以上；
所述Ni3Al沉淀强化型铁镍基合金的组成按质量分数计为：Fe 25-30％，Cr 20-25％，Al 0.5-2.5％，Si 0.01-0.08％，Ti 1.0-2.5，Nb 1.0-2.0，Mo 0-1.0％，W 0-1.0％，Mn 0-1.0％，C≤0.1％，其余为Ni。
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