CN114540732A

CN114540732A - 协同获得低∑晶界和锯齿晶界的方法

Info

Publication number: CN114540732A
Application number: CN202210184385.6A
Authority: CN
Inventors: 胡红磊
Original assignee: Shanghai Dianji University
Current assignee: Shanghai Dianji University
Priority date: 2022-02-24
Filing date: 2022-02-24
Publication date: 2022-05-27

Abstract

本发明提供了一种协同获得低∑晶界和锯齿晶界的方法，采用形变控冷热处理，引入低∑晶界和锯齿晶界，即：高温固溶处理→冷轧变形→高温保温处理→控冷处理→低温保温处理→水冷。本发明在不改变合金成分的前提下，协同获得两类低∑晶界和锯齿晶界的特殊晶界，具有工艺简单、易于实现的优点；本发明处理的镍基高温合金，低∑晶界比例不低于60％，∑3晶界的比例不低于50％；可将部分平直随机晶界转变为锯齿晶界，保证锯齿晶界的平均振幅不低于0.5μm，本发明处理的镍基高温合金，可形成较强的特殊晶界网络、引入更多的特殊三叉晶界、打断平直随机晶界的连通性，有望抑制沿晶开裂，提高镍基高温合金的高温蠕变性能，具有广泛的应用前景。

Description

协同获得低∑晶界和锯齿晶界的方法

技术领域

本发明属于镍基高温合金技术领域，具体涉及一种协同获得低∑晶界和锯齿晶界的方法。

背景技术

晶界是结构相同而取向不同的两个晶粒的界面，其与材料的诸多性能相关。研究发现，合金的诸多失效行为，例如晶间腐蚀、应力腐蚀、高温蠕变和持久断裂、疲劳失效和氢致开裂行为等，均与晶界有关。长期以来，如何通过调控晶界优化合金的性能，一直是国内外的研究热点。

1984年Watanabe首次提出了晶界设计和控制的思想，即通过提高低∑CSL晶界比例的方法，调控晶界特征分布，用以改善材料与晶界有关的多种性能。研究发现，∑≤29的低∑CSL晶界相较于随机晶界，其对晶间腐蚀，晶间裂纹的扩展有着较强的抑制作用；此外，低∑晶界的晶界能较低，其中共格∑3晶界仅为0.01J/m²远小于大角度随机晶界；故含有高比例低∑晶界的合金表现为较好的材料使用性能。然而，在使用过程中缺陷仍会在随机晶界处形成。

为此，在提升低∑晶界的同时如何提升随机晶界的性能就显得尤为重要。锯齿晶界是一类特殊的随机晶界，与低∑晶界不同之处在于，其并不改变随机晶界类型，仅通过改变随机晶界形貌，提升晶间裂纹扩展抗力，用以提升合金使用性能。锯齿晶界与低∑晶界互补，提高低∑晶界比例的同时，将余下的部分随机晶界转变为锯齿晶界，可进一步优化组织结构，改善合金使用性能。

Inconel 617合金是一种Cr-Mo-Co固溶强化镍基高温合金，因其在高温、高压条件下仍能保持良好的组织稳定性、优异的高温强度、抗高温氧化性能和耐高温腐蚀性能，成为高温关键部件的重要候选材料。然而，研究表明，合金在持久、蠕变和疲劳变形过程中，沿晶裂纹主要出现在随机晶界处，这对于合金的性能是不利的，因而通过特定的晶界调控方法，抑制裂纹的形成与扩展，对合金的性能就显得尤为重要。

目前，如何在镍基高温合金中引入两类特殊晶界尚无报道，即提升低∑晶界的同时，将余下的部分平直随机晶界转变为锯齿晶界。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种协同获得低∑晶界和锯齿晶界的方法。本发明在不改变合金成分的前提下，通过适当的处理方式，达到调控晶界的目的，对进一步提升合金持久、蠕变以及疲劳性能有着重要的意义。

为达到上述目的，本发明的设计思想是：

通过采用形变退火加控制冷却速度热处理(以下简称形变控冷热处理)工艺，在镍基高温合金中协同获得两类特殊晶界(低∑晶界和锯齿晶界)的方法，将合金中的低∑比例提升至60％以上，其中∑3晶界比例提升至50％以上；将剩余部分平直随机晶界转变为锯齿晶界，且锯齿晶界的平均振幅大于0.5μm；同时形成较强的特殊晶界网络、引入更多的特殊三叉晶界、打断平直随机晶界的连通性，具体为：高温固溶处理→冷轧变形→高温保温处理→控冷热处理→低温保温处理→水冷的工艺路线。固溶处理：1050-1200℃保温0.5-4h，水冷，一方面可消除加工硬化，使碳化物等析出相回溶；另一方面促使再结晶发生，且保持适宜的晶粒尺寸。冷轧变形：采用4-10％冷轧变形，通过预变形在晶粒内部储存形变能，为后期晶界迁移，提高低∑晶界比例做准备。高温保温处理：1000-1100℃保温0.5-2h，这一过程中，不但会形成高比例的低∑晶界；而且在保温过程中，不同类型晶界会发生交互分解，打断平直随机晶界的连通性。控冷热处理：以1-20℃/min的冷却速度冷却至650-800℃；使得钼、铬和碳元素在冷却过程中通过空位辅助扩散促进部分元素在晶界的富集。低温保温处理：在控冷终了温度保温1-8h，在晶界上形成不规则M₆C和M₂₃C₆型碳化物间断分布，钉扎晶界，使部分平直随机晶界转变为锯齿状随机晶界。具体地：

一种采用形变控冷热处理工艺协同获得低∑晶界和锯齿晶界的方法，包括如下步骤：

(1)、将镍基合金板材在1050-1200℃保温0.5-4h；

(2)、将步骤(1)中保温处理的镍基合金板材进行水淬处理；

(3)、将步骤(2)中水淬处理后的镍基合金板材进行4-10％的冷轧变形；

(4)、将步骤(3)中冷轧变形处理后的镍基合金板材在1000-1100℃保温0.5-2h；

(5)、将步骤(4)中保温处理后的镍基合金板材冷却至650-800℃，并保温1-8h；

(6)、将步骤(5)中控冷保温处理后的镍基合金板材保温1-8h，取出水冷至室温；

其中，步骤(1)中，镍基合金板材的化学成分按重量百分比计为：铬(Cr)：20.0-24.0％，钴(Co)：10.0-15.0％，钼(Mo)：8.0-10.0％，铁(Fe)：≤3.0％，锰(Mn)：≤1.0％，硅(Si)：≤1.0％，铝(Al)：0.8-1.5％，钛(Ti)：≤0.6％，碳(C)：0.05-0.15％，镍(Ni)：余量。

作为本发明的优选实施例，步骤(1)中，镍基合金板材的厚度为3-6mm。

作为本发明的优选实施例，步骤(1)中，镍基合金板材的牌号为Inconel 617。

作为本发明的优选实施例，步骤(5)中，冷却的速度为1-20℃/min。

作为本发明的优选实施例，步骤(5)中，镍基合金板材采用控冷热处理工艺，促使该合金中的Cr、Mo和C元素在控冷过程中发生晶界偏聚，并在晶界处形成平板状M₆C和M₂₃C₆。

作为本发明的优选实施例，采用形变控冷热处理工艺，镍基合金板材的低∑晶界比例不低于60％，其中，∑3晶界的比例不低于50％；处理后的锯齿晶界的平均振幅不低于0.5μm。

由于采用上述方案，本发明的有益效果是：

第一、本发明在不改变合金成分的前提下，仅通过简单的形变控冷热处理方法，即可在合金中协同获得两类低∑晶界和锯齿晶界的特殊晶界，具有工艺简单，易于实现的优点。

第二、采用本发明方法处理的镍基高温合金，合金中的低∑晶界比例不低于60％，且其中的∑3晶界比例不低于50％，锯齿晶界的平均振幅在0.5μm以上。

第三、采用本发明方法处理的镍基高温合金，通过协同获得两类特殊晶界，进一步打断了平直随机晶界网络连通性；相较于引入单一类型特殊晶界，进一步提升特殊晶界比例，形成了更多特殊的三叉晶界和独特的特殊晶界网络结构。

第四、采用本发明方法处理的镍基高温合金，在引入高比例特殊晶界同时，具有较佳的室温力学性能，屈服强度在300MPa以上，抗拉强度在680MPa以上，延伸率在50％以上。

附图说明

图1为本发明的Inconel 617合金常规处理和形变控冷热处理后的晶界特征分布结果图(其中，(a)为常规处理合金，(b)为形变控热处理合金)。

图2为本发明的Inconel 617合金的锯齿晶界SEM结果图。

图3为本发明的Inconel 617合金的锯齿晶界SEM、EBSD和能谱结果图。

具体实施方式

本发明提供了一种协同获得低∑晶界和锯齿晶界的方法。即通过简单的形变控冷热处理在镍基高温合金中协同获得两类特殊晶界，促使低∑晶界比例提升至不低于60％，∑3晶界比例提升至50％以上，同时引入锯齿晶界且锯齿晶界的平均振幅大于0.5μm，协同获得两类特殊晶界进一步打断平直随机晶界的连通性，形成独特的特殊晶界网络。

本发明协同获得低∑晶界和锯齿晶界的方法包括如下步骤：

(1)、将镍基合金板材进行高温保温处理，处理方法在1050-1200℃(优选为1150℃)保温0.5-4h(优选为1h)；

(2)、将步骤(1)中保温处理的镍基合金板材进行水淬处理；

(3)、将步骤(2)中水淬处理后的镍基合金板材进行冷轧变形，变形量为4-10％(优选为5％)；

(4)、将步骤(3)中冷轧变形处理后的镍基合金板材在1000-1100℃(优选为1000℃)保温0.5-2h(优选为2h)；

(5)、将步骤(4)中保温处理后的镍基合金板材通过可控制冷却速度的热处理炉冷却至650-800℃(优选为700℃)，并保温1-8h(优选为3h)；

(6)、将步骤(5)中控冷保温处理后的镍基合金板材保温1-8h(优选为4h)，取出水冷至室温；

其中，在步骤(1)中，镍基合金板材的牌号为Inconel 617，化学成分按重量百分比计为：Cr：20.0-24.0％，Co：10.0-15.0％，Mo：8.0-10.0％，Fe：≤3.0％，Mn：≤1.0％，Si：≤1.0％，Al：0.8-1.5％，Ti：≤0.6％，C：0.05-0.15％，Ni：余量。

在步骤(1)中，镍基合金板材的厚度为3-6mm(优选为4mm)。

在步骤(5)中，冷却的速度为1-20℃/min(优选为5℃/min)。

在步骤(5)中，镍基合金板材采用控冷热处理工艺，促使该合金中的Mo、Cr和C元素在控冷过程中发生晶界偏聚，并在晶界处形成平板状M₆C和M₂₃C₆，对晶界迁移产生拖曳作用，从而在晶粒间形成锯齿晶界。

采用形变控冷热处理工艺，促使镍基合金板材的低∑晶界比例不低于60％，其中，∑3晶界的比例不低于50％；处理后的锯齿晶界的平均振幅不低于0.5μm。

在合金中协同获得两类特殊晶界，相较于引入单一类型特殊晶界，进一步提升了特殊晶界比例，形成更多的特殊晶界网络结构，打断平直随机晶界的连通性。

合金室温力学性能参照GB/T 228.1《金属材料拉伸试验第1部分室温试验方法》进行。

下面结合实施例对本发明的技术内容做进一步的说明。下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

实施例1：

本实施例对厚度为4mm的Inconel 617合金板材进行形变控冷热处理，低∑晶界比例达到75.9％，∑3晶界比例达到66.6％，锯齿晶界平均振幅为0.6μm。具体实施过程为：

(1)、将Inconel 617合金板材置于热处理炉中，在1150℃保温1h，取出水淬处理。

(2)、采用四辊冷轧机，将步骤(1)中水淬处理后的Inconel 617合金板材进行5％的冷轧变形。

(3)、将步骤(2)中冷轧变形处理后的Inconel 617合金板材进行高温保温处理，即在1000℃保温2h。

(4)、将步骤(3)中保温处理后的Inconel 617合金板材以5℃/min的冷却速度冷却至700℃，并保温3h。

(5)、将步骤(4)中控冷保温处理后的Inconel 617合金板材保温4h，取出水冷至室温。

(6)、将步骤(5)处理后的Inconel 617合金板材上切取试样，进行EBSD分析。结果如表1和图1所示，深色代表随机晶界。经形变控冷热处理后，合金中低∑晶界比例提升至75.9％，其中∑3晶界的比例提升至66.6％，且随机晶界网格连通性被打断。

(7)、将步骤(5)处理后的Inconel 617合金板材上切取试样，进行SEM分析，结果见图2。相较于常规处理(图2中(a))，形变控冷热处理后合金中的部分平直随机晶界转变为锯齿晶界(图2中(b))。其中锯齿晶界的平均振幅为0.6μm。

(8)、将步骤(5)处理的Inconel 617合金板材上切取试样，进行SEM、EBSD和能谱分析，结果见图3。经过形变控冷热处理后的样品，锯齿晶界取代部分平直随机晶界，平直随机晶界网格的连通性进一步被打断。此外，锯齿晶界上析出Cr₂₃C₆(图3中(b)、图3中(d))和Mo₆C(图3中(b)、图3中(e))，这是导致锯齿晶界形成的主要原因。

(9)、将步骤(5)水冷处理的Inconel 617合金板材，参照GB/T228.1《金属材料拉伸试验第1部分室温试验方法》进行力学性能测试，结果见表2。

表1不同类型低∑晶界比例

表2形变控冷处理Inconel 617合金板材的力学性能

本实施例板厚为4mm的Inconel 617合金板材，经形变控冷热处理(5％变形+1000℃保温2h+5℃/min冷却至700℃保温3h+水冷)后合金中同时引入低∑晶界和锯齿晶界，其中低∑晶界比例为75.9％，∑3晶界的比例为66.6％，部分平直随机晶界转变为锯齿晶界，锯齿晶界的平均振幅为0.6μm，形成较强的特殊晶界网络，打断了平直随机晶界的连通性，同时具有较佳的室温力学性能。

实施例2：

与实施例1不同之处在于，所用Inconel 617合金板材的厚度为3mm，固溶温度为1200℃保温0.5h，采用6％的预变形，以及1100℃保温0.5h，随后以10℃/min的冷却速度冷却至750℃并保温2h，取出水冷至室温，合金中的低∑晶界比例为76.6％，∑3晶界比例达到64.9％，锯齿晶界的平均振幅为0.55μm。

采用与实施例1化学成分相同的3mm厚的Inconel 617合金热轧板材，进行形变控冷热处理。在1200℃保温0.5h，随后水淬处理；6％的冷轧变形后，进行1100℃、0.5h的保温处理，以10℃/min的冷却速度冷却至750℃并保温2h，取出水冷至室温。采用EBSD进行晶界结构分析，结果显示合金中低∑晶界比例达到76.6％，∑3晶界比例达到64.9％，锯齿晶界的平均振幅为0.55μm，平直随机晶界的连通性被打断，不同类型低∑晶界比例见表3。将经过形变控冷热处理的Inconel 617合金板材，参照GB/T228.1《金属材料拉伸试验第1部分室温试验方法》进行力学性能测试，结果见表4。

表3不同类型低∑晶界比例

表4形变控冷热处理Inconel 617合金板材的力学性能

本实施例板厚为3mm的Inconel 617合金板材，经形变控冷热处理(6％变形+1100℃保温0.5h+10℃/min冷却至750℃保温2h+水冷)后合金中出现大量低∑晶界，比例达到76.6％，∑3晶界比例达到64.9％，同时部分平直随机晶界转变为锯齿晶界，锯齿晶界的平均振幅为0.55μm，形成较强的特殊晶界网络，打断平直随机晶界的连通性，同时具有较佳的室温力学性能。

实施例3：

与实施例1不同之处在于，所用Inconel 617合金板材的厚度为5mm，固溶温度为1050℃保温2h，采用8％的预变形，以及1050℃、1h的保温，随后以6℃/min的冷却速度冷却至650℃并保温8h，取出水冷至室温，合金中的低∑晶界比例为74.9％，∑3晶界比例达到63.3％，锯齿晶界的平均振幅为0.7μm。

采用与实施例1化学成分相同的5mm厚的Inconel617合金热轧板材，进行形变控冷热处理。在1050℃保温2h，随后水淬处理；8％的冷轧变形后，进行1050℃、1h的保温处理，以6℃/min的冷却速度冷却至650℃并保温8h，取出水冷至室温。采用EBSD进行晶界结构分析，结果显示合金中低∑晶界比例达到74.9％，∑3晶界比例达到63.3％，锯齿晶界的平均振幅为0.7μm，平直随机晶界的连通性被打断，不同类型低∑晶界比例见表5。将经过形变控冷热处理的Inconel 617合金板材，参照GB/T228.1《金属材料拉伸试验第1部分室温试验方法》进行力学性能测试，结果见表6。

表5不同类型低∑晶界比例

表6形变控冷热处理Inconel 617合金板材的力学性能

本实施例板厚为5mm的Inconel 617合金板材，经形变控冷热处理(8％变形+1050℃保温1h+6℃/min冷却至650℃保温8h+水冷)后合金中出现大量低∑晶界，比例达到74.9％，∑3晶界比例达到63.3％，同时部分平直随机晶界转变为锯齿晶界，锯齿晶界的平均振幅为0.7μm，形成较强的特殊晶界网络，打断平直随机晶界的连通性，同时具有较佳的室温力学性能。

综上结果表明，采用本发明技术方案的工艺参数范围，均可实现本发明目的，可在合金中同时引入两类特殊晶界，有效提高低∑晶界比例、特别是∑3晶界比例，同时将余下的部分平直随机晶界转变为锯齿晶界，形成较强的特殊晶界网络，引入更多的特殊三叉晶界，打断平直随机晶界的连通性，并保持较佳的室温力学性能。

上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术人员显然可以容易的对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中，而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例。本领域技术人员根据本发明的原理，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种协同获得低∑晶界和锯齿晶界的方法，其特征在于：其包括如下步骤：

(1)、将镍基合金板材在1050-1200℃保温0.5-4h；

(2)、将步骤(1)中保温处理的镍基合金板材进行水淬处理；

其中，步骤(1)中，所述镍基合金板材的化学成分按重量百分比计为：铬：20.0-24.0％，钴：10.0-15.0％，钼：8.0-10.0％，铁：≤3.0％，锰：≤1.0％，硅：≤1.0％，铝：0.8-1.5％，钛：≤0.6％，碳：0.05-0.15％，镍：余量。

2.根据权利要求1所述的协同获得低∑晶界和锯齿晶界的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述镍基合金板材的厚度为3-6mm。

3.根据权利要求1所述的协同获得低∑晶界和锯齿晶界的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述镍基合金板材的牌号为Inconel 617。

4.根据权利要求1所述的协同获得低∑晶界和锯齿晶界的方法，其特征在于：步骤(5)中，所述冷却的速度为1-20℃/min。

5.根据权利要求1所述的协同获得低∑晶界和锯齿晶界的方法，其特征在于：步骤(5)中，所述镍基合金板材采用控冷热处理工艺，促使该合金中的钼、铬和碳元素在控冷过程中发生晶界偏聚，并在晶界处形成平板状M₆C和M₂₃C₆。

6.根据权利要求1所述的协同获得低∑晶界和锯齿晶界的方法，其特征在于：采用形变控冷热处理工艺，所述镍基合金板材的低∑晶界比例不低于60％，其中，∑3晶界的比例不低于50％；处理后的锯齿晶界的平均振幅不低于0.5μm。