CN115491620A

CN115491620A - 一种镍基变形高温合金的欠时效热处理工艺

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Publication number: CN115491620A
Application number: CN202211112998.5A
Authority: CN
Inventors: 赵新宝; 刘浩; 谷月峰; 张泽; 岳全召; 夏万顺
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2022-09-14
Filing date: 2022-09-14
Publication date: 2022-12-20
Anticipated expiration: 2042-09-14
Also published as: CN115491620B

Abstract

本发明公开了一种镍基变形高温合金的欠时效热处理工艺，将轧制变形后的镍基变形高温合金，高温固溶处理，水冷至室温；依次采用高温时效、低温时效、中温时效三步时效处理；合金按质量百分数计，包括Cr：13.0～18.0％，Fe：7.0～11.0％，Co：1.0～3.0％，W：0.3～0.7％，Ti：0.5～3.0％，Al：1.0～2.0％，B：≤0.005％，Zr：≤0.04％，C：0.03～0.1％，余量为Ni；该合金在热处理之后的显微硬度大于330HV，在750℃/250MPa的持久寿命大于1800小时，其继续在650℃热暴露2000h后，显微硬度大于380HV，在750℃/250MPa的持久寿命大于2000小时。本发明采用高温固溶、快冷与三步时效相结合的热处理制度，获得晶粒尺寸适中的合金组织，链状的M₂₃C₆型碳化物均匀分布在晶界，有效控制晶粒内部强化相γ′的尺寸与体积分数。

Description

一种镍基变形高温合金的欠时效热处理工艺

技术领域

本发明属于高温合金技术领域，尤其是涉及一种镍基变形高温合金的欠时效热处理工艺。

背景技术

能源供应紧张和环境保护问题已经成为当今世界各国经济、社会和环境可持续发展的主要制约因素。电力作为二次能源在今后相当长的时期内仍将在能源消费市场中占据主要地位。在我国的电力结构中，火力发电占到了70％以上，而我国的电站平均煤耗则远高于世界上经济发达的国家，因此提高燃煤电站的蒸汽参数，从而降低煤耗，节约煤炭资源和减少CO₂等排放，对经济、社会和环境的可持续发展具有重要意义。

随着燃煤发电机组的温度和压力不断提高，对电站关键高温部件，如汽轮机中的高压转子、叶片和紧固件，锅炉中的过热器和再热器管，以及集箱和主蒸汽管道等材料，在长期强度稳定性和耐腐蚀性能方面提出了更高的要求。我国先后开展了650℃、700℃级超超临界燃煤发电技术的研发，且计划近期投建650℃示范机组，而原来在600℃超超临界燃煤电站中广泛使用的奥氏体耐热钢，如Super304H和HR3C已不能满足强度和耐蚀性能的要求，必须使用高强的镍基高温合金，尤其是超超临界电站汽轮机紧固螺栓、转子、叶片、汽缸等高温结构部件。

由于超超临界电站具有运行时间长的突出特点，镍基高温合金不仅需要满足高温强度、最高使用温度、耐氧化/硫化性能的要求，还得要有足够的组织稳定性，保证服役寿命。但镍基高温合金在高温服役期间往往伴随γ′强化相的粗化，其性能也呈现逐渐下降趋势，不利于合金的长时服役。目前，大量的镍基变形高温合金，如Inconel740H、Haynes282等，经过标准热处理后，性能已经接近极限，在高温服役期间合金性能不断下降直至失效；而为了进一步延长合金的服役寿命，可以采用欠时效的热处理，保证合金热处理后的性能满足基本使用要求，并使合金的性能在高温服役过程中逐渐提高，进而达到延长合金服役寿命的目标。此外，欠时效的热处理工艺也有利于合金的焊接以及焊后热处理。

发明内容

本发明的目的在于提供一种镍基变形高温合金的欠时效热处理工艺。

为了实现以上发明目的，本发明所采用的技术方案为：一种镍基变形高温合金的欠时效热处理工艺，将轧制变形后的镍基变形高温合金，进行高温固溶处理，然后水冷至室温；再依次采用高温时效、低温时效、中温时效三步时效处理；

其中，合金按质量百分数计，包括：Cr：13.0～18.0％，Fe：7.0～11.0％，Co：1.0～3.0％，W：0.3～0.7％，Ti：0.5～3.0％，Al：1.0～2.0％，B：≤0.005％，Zr：≤0.04％，C：0.03～0.1％，余量为Ni；

该合金在热处理之后的显微硬度大于330HV，在750℃/250MPa的持久寿命大于1800小时，其继续在650℃热暴露2000h后，显微硬度大于380HV，在750℃/250MPa的持久寿命大于2000小时。

本发明进一步的改进在于，所述高温固溶处理的温度为再结晶温度以上120～180℃，时间为1～2小时，水冷至室温；

所述高温时效处理为，将经过高温固溶处理的合金加热至γ′溶解温度以上120～180℃进行保温1～4小时，随后空冷至室温；

所述低温时效处理为，将经过高温时效处理的合金加热至M₂₃C₆型碳化物溶解温度以下150～240℃进行保温8～16小时，随后空冷至室温；

所述中温时效处理为，将经过低温时效处理的合金加热至γ′溶解温度以下30～80℃进行保温2～8小时，随后空冷至室温，得到处理后的合金。

本发明进一步的改进在于，经过高温固溶处理后，合金的晶粒为等轴晶，平均晶粒尺寸为50～100μm。

本发明进一步的改进在于，合金经过三步时效处理后，链状的M₂₃C₆型碳化物均匀分布于晶界；晶粒内部的强化相γ′为球状，尺寸小于40nm，体积分数在20％左右。

本发明的有益效果是，获得的合金组织晶粒和γ′相尺寸适中，晶界均匀分布链状的M₂₃C₆型碳化物；在650℃具有优异的组织稳定性。轧制变形后的镍基变形高温合金存在大量的残余内应力，为保证合金的高温性能与持久寿命，需要在再结晶温度以上对合金进行固溶处理，一方面消除残余内应力并获得合适的晶粒尺寸，另一方面将全部γ′相溶解到基体中，为后面进一步时效处理时控制γ′的析出和长大做准备。析出相γ′是镍基高温合金中主要的强化相，影响着晶粒内部的强度；而M₂₃C₆型碳化物对晶界的强度有很大影响，细小的链状M₂₃C₆型碳化物可以强化晶界，但连续的网状M₂₃C₆型碳化物薄膜会恶化晶界的强度。本发明采用先高温时效、再低温时效、最后中温时效来综合调控γ′相和M₂₃C₆型碳化物的尺寸与体积分数，平衡合金晶粒内部与晶界的强度，保证合金的性能潜力。

本发明采用高温固溶、快冷与三步时效相结合的热处理制度，获得晶粒尺寸适中的合金组织，链状的M₂₃C₆型碳化物均匀分布在晶界，有效控制晶粒内部强化相γ′的尺寸与体积分数。通过合金的结构设计与调控，在保障合金具有满足使用要求的性能前提下，在热暴露服役后合金的性能可进一步提高且该热处理工艺简单容易控制。

附图说明

图1为本发明中合金热处理后的晶粒背散射扫描图像。

图2为本发明中合金热处理后的晶界M₂₃C₆型碳化物的形貌。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

一种镍基变形高温合金的欠时效热处理工艺，包括以下步骤：

其中，合金按质量百分数计，包括Cr：13.0～18.0％，Fe：7.0～11.0％，Co：1.0～3.0％，W：0.3～0.7％，Ti：0.5～3.0％，Al：1.0～2.0％，B：≤0.005％，Zr：≤0.04％，C：0.03～0.1％，余量为Ni。

步骤1高温固溶处理：将轧制变形后的镍基变形高温合金，加热至再结晶温度以上120～180℃保温1～2小时，然后水冷至室温；

步骤2高温时效处理：将高温固溶后的镍基变形高温合金，加热至γ′溶解温度以上120～180℃下保温1～4小时，然后空冷至室温；

步骤3低温时效处理：将高温时效后的镍基变形高温合金，加热至M₂₃C₆型碳化物溶解温度以下150～240℃下保温8～16小时，然后空冷至室温；

步骤4中温时效处理：将低温时效后的镍基变形高温合金，加热至γ′溶解温度以下30～80℃下保温2～8小时，然后空冷至室温。

经步骤1后，合金的平均晶粒尺寸为50～100μm，如图1所示；

经步骤4后，链状的M₂₃C₆型碳化物均匀分布在合金的晶界上，如图2所示；晶粒内部γ′析出相的体积分数在20％左右，平均尺寸小于40nm；

经步骤4后，合金经热处理后的显微硬度大于330HV；750℃/250MPa的持久寿命大于1800小时；其继续在650℃热暴露2000h后，显微硬度大于380HV，在750℃/250MPa的持久寿命大于2000小时。

下面为具体实施例与比较例：

实施例1

取发明内容中成分范围内的一种镍基高温合金，该合金按质量百分数计，包括：Cr：16.0％，Fe：10.0％，Co：1.5％，W：0.6％，Ti：2.3％，Al：1.4％，B：0.002％，Zr：0.03％，C：0.05％，余量为Ni；该合金再结晶温度为960℃，γ′溶解温度为921℃，M₂₃C₆型碳化物溶解温度为844℃。

将变形后的镍基高温合金试样进行高温固溶处理，固溶处理温度为1120℃，保温时间为1.5小时，然后水冷至室温；加热至1050℃保温2小时进行高温时效处理，然后空冷至室温；再加热至650℃保温12小时下进行低温时效处理，然后空冷至室温；最后加热至840℃下保温4小时进行中温时效处理，然后空冷至室温。图1与图2分别展示了实施例1热处理后的晶粒以及晶界形貌。

实施例2

取发明内容中成分范围内的一种镍基高温合金，该合金按质量百分数计，包括：Cr：15.0％，Fe：10.0％，Co：2.5％，W：0.5％，Ti：1.7％，Al：2.0％，B：0.003％，Zr：0.03％，C：0.05％，余量为Ni；该合金再结晶温度为970℃，γ′溶解温度为918℃，M₂₃C₆型碳化物溶解温度为797℃。

将变形后的镍基高温合金试样进行高温固溶处理，固溶处理温度为1130℃，保温时间为1.0小时，然后水冷至室温；加热至1040℃保温3小时进行高温时效处理，然后空冷至室温；再加热至630℃保温10小时下进行低温时效处理，然后空冷至室温；最后加热至850℃下保温4小时进行中温时效处理，然后空冷至室温。

实施例3

取发明内容中成分范围内的一种镍基高温合金，该合金按质量百分数计，包括：Cr：14.0％，Fe：9.0％，Co：2.0％，W：0.4％，Ti：2.0％，Al：1.8％，B：0.003％，Zr：0.02％，C：0.06％，余量为Ni；该合金再结晶温度为960℃，γ′溶解温度为910℃，M₂₃C₆型碳化物溶解温度为700℃。

将变形后的镍基高温合金试样进行高温固溶处理，固溶处理温度为1110℃，保温时间为2.0小时，然后水冷至室温；加热至1030℃保温4小时进行高温时效处理，然后空冷至室温；再加热至620℃保温12小时下进行低温时效处理，然后空冷至室温；最后加热至860℃下保温3小时进行中温时效处理，然后空冷至室温。

对比例1

取发明内容中成分范围内的一种镍基高温合金，该合金成分与实施例1一致，将变形后的镍基高温合金试样进行高温固溶处理，固溶处理温度为1150℃，保温时间为0.5小时，然后水冷至室温；加热至1020℃保温1小时进行时效处理，然后水冷至室温。

对比例2

取发明内容中成分范围内的一种镍基高温合金，该合金成分与实施例2一致，将变形后的镍基高温合金试样进行高温固溶处理，固溶处理温度为1100℃，保温时间为1.0小时，然后水冷至室温；再加热至750℃保温1小时进行时效处理，再以50℃/h的速率冷却至650℃，保温16小时，然后空冷至室温。

表1为实施例1、实施例2与对比例1、对比例2热处理以及热处理后并在650℃热暴露2000h后的显微硬度与750℃/250MPa的持久寿命。

表1实施例与比较例的性能特征

从表1可以发现，与传统热处理制度不一样，采用本发明的热处理工艺后，镍基变形高温合金的初始性能满足基本使用要求，且在650℃热暴露2000小时后的持久寿命与显微硬度并没有降低，反而有所提高，有利于合金的长时服役。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种镍基变形高温合金的欠时效热处理工艺，其特征在于，将轧制变形后的镍基变形高温合金，进行高温固溶处理，然后水冷至室温；再依次采用高温时效、低温时效、中温时效三步时效处理；

2.根据权利要求1所述的镍基变形高温合金的欠时效热处理工艺，其特征在于：

所述高温固溶处理的温度为再结晶温度以上120～180℃，时间为1～2小时，水冷至室温；

3.根据权利要求1所述的镍基变形高温合金的欠时效热处理工艺，其特征在于：经过高温固溶处理后，合金的晶粒为等轴晶，平均晶粒尺寸为50～100μm。

4.根据权利要求1所述的镍基变形高温合金的欠时效热处理工艺，其特征在于：合金经过三步时效处理后，链状的M₂₃C₆型碳化物均匀分布于晶界；晶粒内部的强化相γ′为球状，尺寸小于40nm，体积分数在20％左右。