提高HastelloyN合金ΣCSL晶界比例的工艺方法与流程

提高hastelloy n合金
σ
csl晶界比例的工艺方法
技术领域
1.本发明涉及一种提高金属材料低σcsl晶界比例的晶界工程工艺方法，特别是涉及一种含有大量初生碳化物或者脆、硬夹杂物的低层错能面心立方金属材料的晶界工程工艺方法，应用于金属材料的形变及热处理工艺技术领域。


背景技术：

2.hastelloy n是一种固溶强化的镍基合金，具有优良的力学性能、高温抗氧化性、耐腐蚀性及耐辐照性，主要用于熔盐反应堆中的结构材料。熔盐堆中核燃料由高温熔盐携带入堆，堆内结构材料与流动的高温熔盐直接接触。而在熔盐堆中生成的裂变产物te会导致hastelloyn合金开裂，裂变产物te通过一般大角晶界扩散进入合金，会导致hastelloy n合金晶间脆化，受力后发生沿晶界开裂现象，大大降低了合金的力学性能。因此，关键结构材料的环境失效问题是制约熔盐堆发展的瓶颈。裂变产物te会沿着一般大角晶界扩散，而未在孪晶界处观察到te的扩散，因此提高孪晶界的比例可以有效地降低te对合金晶间开裂的影响。
3.watanabe于1984年提出晶界设计与控制的概念，在上世纪90年代发展成晶界工程(grainboundary engineering，gbe)研究领域。在低层错能面心立方金属材料中，通过适当的形变及热处理工艺，可以促使退火孪晶及多重孪晶过程的充分发展，显著提高提高σ3，σ9等σ3
n
晶界(n＝1,2,3)类型的低σcsl晶界比例。重合位置点阵，coincidence site lattice；低σcsl晶界是指σ≤29的csl晶界，σ：晶界两侧晶粒点阵重合位置密度的倒数。在低σcsl晶界中，特别是σ3晶界，由于结构有序度高，界面能低，具有优于一般大角晶界的性能。hastelloy n 合金也是一种低层错能面心立方金属材料，可以通过gbe大幅增加hastelloy n合金材料的低σcsl晶界比例，控制晶界特征分布，提高该种材料的抗te致晶间脆性开裂性能，也可提高该种材料与晶界相关的其它性能，比如抗晶间腐蚀性能。
4.然而，hastelloy n合金的mo含量高，在冶炼后凝固时很容易形成粗大的ni3mo3c型的 m6c初生碳化物，硬度和脆性高于基体，尺寸约有几个微米。这种碳化物的溶解温度超过 1300℃，采取常规的固溶热处理方式往往消除不了。在常规的轧制加工过程中这种初生碳化物会呈串状分布，方向与轧制方向平行，会导致串状碳化物附近的基体中产生高应变区。在进行gbe的形变及热处理过程中，串状碳化物通过影响再结晶形核和长大过程从而影响低σcsl晶界的形成及演化。因此需要在形变及热处理过程中减小初生碳化物的尺寸，并改变呈串状的分布特征，才能有效提高低σcsl晶界比例，成功实施gbe。现有科技文献中已有的gbe工艺技术，无法克服该种材料中初生碳化物呈串状分布对低σcsl晶界产生及演化过程带来的影响。


技术实现要素：

5.为了解决目前hastelloy n合金在提高低σcsl晶界比例上所面临的现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种提高hastelloy n合金σcsl晶
界比例的工艺方法，将hastelloy n合金的低σcsl晶界比例提高到70％以上，使碳化物分布更为均匀，降低了碳化物对晶界演化的影响，缩短退火热处理时间，提高含有大量初生碳化物或者脆、硬夹杂物的低层错能面心立方金属材料的质量，并节省能耗，降低成本。
6.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种提高hastelloy n合金σcsl晶界比例的工艺方法，包括以下步骤：
8.a.在室温下对hastelloy n合金进行初次冷轧，控制变形量为30
‑
70％；
9.b.在hastelloy n合金完成所述步骤a初次冷轧变形后，对变形后的合金进行初次退火，在1020
‑
1200℃的初次退火温度下保温5
‑
60min，然后水淬将hastelloy n合金快速冷却至室温；
10.c.在室温下对经过所述步骤b进行初次退火的合金进行再次冷轧变形，保证与初次冷轧方向垂直，控制变形量为30
‑
70％，进行二次冷轧；
11.d.在合金完成所述步骤c的二次冷轧变形后，对变形后的合金进行二次退火，在 1020
‑
1200℃的退火温度下保温5
‑
60min，然后水淬将合金快速冷却至室温；
12.e.在室温下，对经过所述步骤d二次退火的合金再次进行冷加工变形，采用冷轧、拉伸或者其它变形方式，控制变形量为3
‑
15％，完成冷加工过程；
13.f.在合金完成所述步骤e的冷加工变形后，对变形后的合金进行再次进行退火，在 1020
‑
1200℃的退火温度下保温3
‑
120min，然后水淬将合金快速冷却至室温，得到σ≤29的低σcsl晶界比例不低于70％的合金。
14.优选地，反复至少一次进行a
‑
d的步骤实施交叉轧制并进行中间退火，为步骤e和f做准备。
15.优选地，在所述步骤a中，在室温下对hastelloy n合金进行初次冷轧，控制变形量为 40
‑
70％。
16.优选地，在所述步骤b中，在hastelloy n合金完成初次冷轧变形后，对变形后的合金进行初次退火，在1177
‑
1200℃的初次退火温度下保温30
‑
60min，然后水淬将hastelloy n合金快速冷却至室温。
17.优选地，在所述步骤c中，在室温下对经过进行初次退火的合金进行再次冷轧变形，保证与初次冷轧方向垂直，控制变形量为50
‑
70％，进行二次冷轧。
18.优选地，在所述步骤d中，在合金完成二次冷轧变形后，对变形后的合金进行二次退火，在1100
‑
1200℃的退火温度下保温30
‑
60min，然后水淬将合金快速冷却至室温。
19.优选地，在所述步骤e中，对经过二次退火的合金再次进行冷加工变形，控制变形量为 5
‑
15％，完成冷加工过程。
20.优选地，在所述步骤f中，在合金完成冷加工变形后，对变形后的合金进行再次进行退火，在1170
‑
1200℃的退火温度下保温20
‑
120min，然后水淬将合金快速冷却至室温，得到低σcsl晶界比例不低于70％的合金。
21.本发明主要针对hastelloy n合金，确定形变及退火工艺，获得低σcsl(按照palumbo
‑
aust 标准)晶界比例达到70％以上的材料。而经传统工艺加工的材料，其低σcsl晶界比例约为 20％
‑
40％。
22.本发明gbe工艺方法可以实现在不改变合金成分的前提下大幅提高低σcsl晶界比例，降低初生串状碳化物对hastelloy n合金中低σcsl晶界产生及演化的影响，达到提
高与晶界相关性能的目的，如抗晶间腐蚀、抗te致晶间脆性开裂性能等。
23.在所述步骤a中，所述合金包括但不仅限于hastelloy n合金，主要为含有大量初生碳化物或者脆、硬夹杂物的低层错能的面心立方金属材料。
24.本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
25.1.本发明对合金进行30％
‑
70％冷轧加工及1020℃
‑
1200℃的退火，并更换方向轧制及再次退火，目的是为了破坏初生碳化物的串状分布，使碳化物分布更为细小而分散，得到相对细小且均匀分布的晶粒尺寸，去除合金中多余的形变储能；
26.2.本发明在室温下进行3％
‑
15％的冷加工变形，保证变形量精准的在范围内，冷加工后进行1020℃
‑
1200℃的退火；
27.3.本发明通过这样的工艺组合可以明显提高合金中σ3
n
晶界(n＝1,2,3)比例，从而提高 hastelloy n合金材料的总体低σcsl晶界比例。
附图说明
28.图1是本发明实施例一工艺处理前(a)后(b)的hastelloy n合金的低σcsl晶界比例图对比。
29.图2是本发明实施例一工艺处理前(a)后(b)的hastelloy n合金的低σcsl晶界特征分布图对比。
30.图3是本发明实施例一在不同工艺处理后hastelloy n合金的金相图。(a)为经过初次冷轧退火的样品金相图；(b)为经过两次交叉轧制退火的样品金相图；(c)为经过本工艺处理后的样品金相图。
31.图4是本发明实施例二工艺处理后的hastelloy n合金的低σcsl晶界特征分布图。
32.图5是本发明实施例三工艺处理后的hastelloy n合金的低σcsl晶界特征分布图。
具体实施方式
33.以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
34.实施例一：
35.在本实施例中，一种提高hastelloy n合金σcsl晶界比例的工艺方法，包括以下步骤：
36.a.在室温下对hastelloy n合金进行初次冷轧，控制变形量为40％；
37.b.在hastelloy n合金完成所述步骤a初次冷轧变形后，对变形后的合金进行初次退火，在1177℃的初次退火温度下保温30min，然后水淬将hastelloy n合金快速冷却至室温；
38.c.在室温下对经过所述步骤b进行初次退火的合金进行再次冷轧变形，保证与初次冷轧方向垂直，控制变形量为50％，进行二次冷轧；
39.d.在合金完成所述步骤c的二次冷轧变形后，对变形后的合金进行二次退火，在1100℃的退火温度下保温30min，然后水淬将合金快速冷却至室温；
40.e.在室温下，对经过所述步骤d二次退火的合金再次进行冷加工变形，采用冷轧、拉伸或者其它变形方式，控制变形量为5％，完成冷加工过程；
41.f.在合金完成所述步骤e的冷加工变形后，对变形后的合金进行再次进行退火，在1170℃的退火温度下保温20min，然后水淬将合金快速冷却至室温，得到σ≤29的低σcsl晶界比例达到70％以上的合金。
42.实验测试分析：
43.采用未经本实施例工艺实施处理的hastelloy n合金作为样品a，经本实施例工艺处理后的hastelloy n合金作为样品b。
44.采用ebsd(electron backscattering diffraction,电子背散射衍射)方法测定样品a和样品b，低σcsl晶界都按palumbo
‑
aust标准统计。经ebsd方法测定，样品a中的低σcsl 晶界比例为49.8％，样品b中的低σcsl晶界比例为75.7％，详见图1。图1为样品a和样品 b的低σcsl晶界比例图。本实施例针对hastelloy n合金，确定形变及退火工艺，获得低σcsl 晶界比例为75.7％的材料，而未经本实施例工艺处理的材料，其低σcsl晶界比例为49.8％。
45.图2为经本实施例工艺处理前后hastelloy n合金的晶界特征分布图。从图2(a)中可以看出，未经过本实施例工艺处理的样品，其晶界特征分布受到合金中碳化物影响，在碳化物周围产生较多细小的晶粒，在再结晶过程中影响晶界特征分布的演化过程，难以形成较大的晶粒团簇，进而降低了合金的特殊晶界比例。而经过本实施例工艺处理后的hastelloy n合金样品，碳化物分布更为均匀，降低了碳化物对晶界演化的影响，大大提高了合金的特殊晶界比例，如图2(b)所示。
46.图3为经过不同工艺步骤处理后合金样品的金相图。图3(a)为经过本实施例初次冷轧退火后样品的金相图，合金内部有较多的初生碳化物，沿轧向呈串状分布。图3(b)为经过本实施例二次垂直轧制退火后样品的金相图，在二次垂直交叉轧制后，沿轧向分布的串状碳化物在一定程度上分散，较为均匀的分布在合金内部。图3(c)为经过本实施例工艺处理后样品的金相图，样品内部细小弥散的碳化物并未对晶界特征分布迁移、演化产生较大的影响。
47.本实施例工艺方法不仅不需改变材料的成分，而且与现有的同类工艺相比，不需长时间退火操作容易，具有十分明显的经济效益。
48.实施例二：
49.本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
50.一种提高hastelloy n合金σcsl晶界比例的工艺方法，包括以下步骤：
51.a.在室温下对hastelloy n合金进行初次冷轧，控制变形量为70％；
52.b.在hastelloy n合金完成所述步骤a初次冷轧变形后，对变形后的合金进行初次退火，在1200℃的初次退火温度下保温5min，然后水淬将hastelloy n合金快速冷却至室温；
53.c.在室温下对经过所述步骤b进行初次退火的合金进行再次冷轧变形，保证与初次冷轧方向垂直，控制变形量为70％，进行二次冷轧；
54.d.在合金完成所述步骤c的二次冷轧变形后，对变形后的合金进行二次退火，在1200℃的退火温度下保温5min，然后水淬将合金快速冷却至室温；
55.e.在室温下，对经过所述步骤d二次退火的合金再次进行冷加工变形，采用冷轧、拉伸或者其它变形方式，控制变形量为15％，完成冷加工过程；
56.f.在合金完成所述步骤e的冷加工变形后，对变形后的合金进行再次进行退火，在1200℃的退火温度下保温3min，然后水淬将合金快速冷却至室温，得到σ≤29的低σcsl晶界比例达到70％以上的合金。
57.实验测试分析：
58.采用经本实施例工艺实施处理的hastelloy n合金作为样品c，本实施例采用ebsd (electron backscattering diffraction,电子背散射衍射)方法测定样品，低σcsl晶界都按 palumbo
‑
aust标准统计。经ebsd方法测定，样品中的低σcsl晶界比例为76.9％，如图4 所示。本实施例针对hastelloy n合金，确定形变及退火工艺，获得σ≤29的低σcsl晶界比例达到70％以上的合金材料，明显高于未经本实施例工艺处理的材料的低σcsl晶界比例，本实施例工艺方法不仅不需改变材料的成分，而且与现有的同类工艺相比，不需长时间退火操作容易，具有十分明显的经济效益。
59.实施例三：
60.本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
61.一种提高hastelloy n合金σcsl晶界比例的工艺方法，包括以下步骤：
62.a.在室温下对hastelloy n合金进行初次冷轧，控制变形量为30％；
63.b.在hastelloy n合金完成所述步骤a初次冷轧变形后，对变形后的合金进行初次退火，在1020℃的初次退火温度下保温60min，然后水淬将hastelloy n合金快速冷却至室温；
64.c.在室温下对经过所述步骤b进行初次退火的合金进行再次冷轧变形，保证与初次冷轧方向垂直，控制变形量为30％，进行二次冷轧；
65.d.在合金完成所述步骤c的二次冷轧变形后，对变形后的合金进行二次退火，在1020℃的退火温度下保温60min，然后水淬将合金快速冷却至室温；
66.e.在室温下，对经过所述步骤d二次退火的合金再次进行冷加工变形，采用冷轧、拉伸或者其它变形方式，控制变形量为3％，完成冷加工过程；
67.f.在合金完成所述步骤e的冷加工变形后，对变形后的合金进行再次进行退火，在1020℃的退火温度下保温120min，然后水淬将合金快速冷却至室温，得到σ≤29的低σcsl晶界比例达到70％以上的合金。
68.实验测试分析：
69.采用经本实施例工艺实施处理的hastelloy n合金作为样品d，本实施例采用ebsd (electron backscattering diffraction,电子背散射衍射)方法测定样品，低σcsl晶界都按 palumbo
‑
aust标准统计。经ebsd方法测定，样品中的低σcsl晶界比例为70.6％，如图5 所示。本实施例针对hastelloy n合金，确定形变及退火工艺，获得σ≤29的低σcsl晶界比例达到70％以上的合金材料，明显高于未经本实施例工艺处理的材料的低σcsl晶界比例，本实施例工艺方法不仅不需改变材料的成分，而且与现有的同类工艺相比，不需长时间退火操作容易，具有十分明显的经济效益。
70.上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下
做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。