通过协同获得两类特殊晶界改善镍基合金高温力学性能的方法

1.本发明属于镍基合金技术领域，具体涉及一种通过协同获得两类特殊晶界改善镍基合金高温力学性能的方法。


背景技术：

2.随着全球变暖问题日益严重，高温、高压的高效率火力发电技术变得尤为重要，这也对材料的高温服役性能提出了更高的要求。超临界火力发电技术(a-usc)是一种具有广阔应用前景的洁净发电技术，其与传统发电技术相比，具有更高的燃烧效率以及更少的二氧化碳排放量，因此越来越受到人们的重视。生产过程中，超超临界火力发电技术的蒸汽压力一般在30-35mpa，蒸汽温度一般在593-600℃，均远高于传统发电技术参数，这就对汽轮机转子、管道和阀门等关键发电部件材料的高温服役性能提出了更高的要求，而传统的铁素体耐热钢和奥氏体耐热钢越发不能满足设计需求。
3.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，合金在长期服役过程中，合金中的元素在应力和温度的双重作用下向晶界发生扩散，并在晶界处形成碳化物，碳化物将弱化晶界断裂韧性，在应力的作用下，沿碳化物与基体的界面形成空洞，最终发生沿晶开裂。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种通过协同获得两类特殊晶界改善镍基合金高温力学性能的方法。
5.为达到上述目的，本发明的设计思想是：
6.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，协同获得两类特殊晶界改善镍基合金高温力学性能，将合金中的低∑比例提升至65％以上，其中∑3晶界比例提升至60％以上，抑制碳化物在晶界析出；将剩余部分平直随机晶界转变为锯齿晶界，且锯齿晶界平均振幅≥0.6μm，优化晶界碳化物分布；同时形成较强的特殊晶界网络、打断平直随机晶界的连通性，增加晶界沿晶裂纹萌生和扩展阻力，改善镍基合金高温力学性能，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：1100-1200℃保温0.5-2h，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4-8％冷轧变形，通过预变形在晶粒内部储存形变能，为高温保温过程发生晶界迁移，提高低∑晶界比例做准备。高温保温处理：1000-1050℃保温1-2h，这一过程中，不但会形成高比例的低∑晶界，抑制碳化物析出；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1-10℃/min的冷却速度冷却至650-750℃；使得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1-4h，在晶界上形成不规则碳化物钉扎晶界，使部分平直随机晶界转变为锯齿状随机晶界，优化晶界碳化物分布。具体地：显然，通过协同获得两类特殊晶界，一方面抑制晶界碳化物析出，另一方面改变晶界碳化物分布，提高沿晶裂纹萌生和扩展阻力，有望改善镍基合金的高温力学性能。
7.一种通过协同获得两类特殊晶界改善镍基合金高温力学性能的方法，采用形变控冷热处理工艺同时引入两类特殊晶界(低∑晶界和锯齿晶界)，包括如下步骤：
8.(1)、将镍基合金板材在1100-1200℃保温0.5-2h；
9.(2)、将步骤(1)中保温处理的镍基合金板材进行水淬处理；
10.(3)、将步骤(2)中水淬处理后的镍基合金板材进行4-8％的冷轧变形；
11.(4)、将步骤(3)中冷轧变形处理后的镍基合金板材在1000-1050℃保温1-2h；
12.(5)、将步骤(4)中保温处理后的镍基合金板材冷却至650-750℃，并保温1-4h；
13.(6)、将步骤(5)中控冷保温处理后的镍基合金板材保温1-4h，取出水冷至室温；
14.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。
15.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。
16.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。
17.作为本发明的优选实施例，步骤(5)中，冷却的速度为1-10℃/min。
18.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m
23
c6。
19.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≥65％，其中，∑3晶界的比例≥60％；处理后的锯齿晶界的平均振幅≥0.6μm。
20.由于采用上述方案，本发明的有益效果是：
21.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特殊晶界，其中低∑晶界比例≥65％，∑3晶界比例≥60％，抑制晶界碳化物析出；同时，锯齿晶界的平均振幅≥0.6μm，优化晶界碳化物分布；显著增加了合金的沿晶裂纹萌生和扩展阻力，有效改善镍基合金高温力学性能。
22.第二、采用本发明方法处理的镍基合金板材，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60％以上。
23.第三、采用本发明方法处理的镍基合金板材，经长期高温服役后，合金室温屈服强度在300mpa以上，抗拉强度在680mpa以上，延伸率在55％以上。
附图说明
24.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(未进行冷轧变形和控冷处理)，(b)为形变控热处理合金)。
25.图2为本发明的实施例1中inconel 617合金板材的锯齿晶界的sem结果图。
具体实施方式
26.本发明提供了一种通过协同获得两类特殊晶界改善镍基合金高温力学性能的方法。
27.本发明通过协同获得两类特殊晶界改善镍基合金高温力学性能的方法，采用形变控冷热处理工艺同时引入两类特殊晶界(低∑晶界和锯齿晶界)，具体包括如下步骤：
28.(1)、将镍基合金板材进行高温保温处理，处理方法在1100-1200℃(优选为1100℃)保温0.5-2h(优选为1h)；
29.(2)、将步骤(1)中保温处理的镍基合金板材进行水淬处理；
30.(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4-8％(优选为5％)；
31.(4)、将步骤(3)中冷轧变形处理后的镍基合金板材在1000-1050℃(优选为1050℃)保温1-2h(优选为1h)；
32.(5)、将步骤(4)中保温处理后的镍基合金板材冷却至650-750℃(优选为700℃)，并保温1-4h(优选为4h)；
33.(6)、将步骤(5)中控冷保温处理后的镍基合金板材保温1-4h(优选为4h)，取出水冷至室温。
34.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。
35.在步骤(1)中，镍基合金板材的厚度为3-6mm(优选为3mm)。
36.在步骤(5)中，冷却的速度为1-10℃/min(优选为5℃/min)。
37.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m
23
c6，对晶界迁移产生拖曳作用，从而在晶粒间形成锯齿晶界。
38.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≥65％，其中，∑3晶界的比例≥60％，抑制晶界碳化物析出；同时引入锯齿晶界且锯齿晶界的平均振幅≥0.6μm，优化晶界碳化物分布。
39.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，本处理进一步提升特殊晶界比例，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，增加沿晶裂纹萌生和扩展阻力。
40.进行形变控冷热处理工艺的镍基合金板材，在700-900℃，保温5-24h，模拟高温服役条件。高温保温处理后，合金室温力学性能参照gb/t228.1《金属材料拉伸试验第1部分室温试验方法》进行。
41.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。
42.实施例1：
43.本实施例对厚度为3mm的inconel 617合金板材进行形变控冷热处理，低∑晶界比例达到76％，∑3晶界比例达到65％，锯齿晶界的平均振幅为0.65μm。具体实施过程为：
44.(1)、将inconel 617合金板材置于热处理炉中，在1100℃保温1h，取出水淬处理。
45.(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。
46.(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1050℃保温1h。
47.(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4h。
48.(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。
49.(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76％，其中∑3晶界的比例提升至65％，且随机晶界网格连通性被打断。
50.(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，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)。其中锯齿晶界的平均振幅为0.64μm。
51.(8)、将步骤(5)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1。
52.(9)、将步骤(5)处理的inconel 617合金板材，置于高温炉中，模拟高温服役条件，即在700-900℃，保温5-24h(本实施例为900℃保温10h)。
53.(10)、将步骤(9)处理的镍基inconel 617合金板材，参照gb/t 228.1《金属材料拉伸试验第1部分室温试验方法》进行力学性能测试，结果见表2。
54.表1 inconel 617合金板材的力学性能
[0055][0056]
表2 inconel 617合金板材高温服役后力学性能
[0057][0058]
本实施例板厚为3mm的inconel 617合金板材，经形变控冷热处理后合金中同时引入低∑晶界和锯齿晶界，其中低∑晶界比例为76％，∑3晶界的比例为65％，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0.65μm。合金的室温延伸率在≥60％以上，高温服役后室温延伸率≥55％。
[0059]
实施例2：
[0060]
与实施例1不同之处在于，所用inconel 617合金板材的厚度为4mm，固溶温度为1150℃保温2h，采用6％的预变形，以及1000℃保温2h，随后以1℃/min的冷却速度冷却至750℃并保温1h，取出水冷至室温，合金中的低∑晶界比例为78％，∑3晶界比例达到66％，锯齿晶界的平均振幅为0.72μm。
[0061]
采用与实施例1化学成分相同的4mm厚的inconel 617合金板材，进行形变控冷热处理。在1150℃保温2h，随后水淬处理；6％的冷轧变形后，进行1000℃、2h的保温处理，以1℃/min的冷却速度冷却至750℃并保温1h，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78％，∑3晶界比例达到66％，锯齿晶界平均振幅为0.72μm，平直随机晶界的连通性被打断。将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3。将处理后的板材进行高温保温处理(700℃，24h)，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。
[0062]
表3 inconel 617合金板材的力学性能
[0063][0064]
表4 inconel 617合金板材的高温服役后力学性能
[0065][0066]
本实施例板厚为4mm的inconel 617合金板材，经形变控冷热处理(6％变形 1000℃保温2h 1℃/min冷却至750℃保温1h 水冷)后合金中出现大量低∑晶界，比例达到78％，∑3晶界比例达到66％，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0.72μm。合金的室温延伸率在≥60％以上，高温服役后室温延伸率≥55％。
[0067]
实施例3：
[0068]
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1200℃保温0.5h，采用8％的预变形，以及1050℃、2h的保温，随后以8℃/min的冷却速度冷却至650℃并保温4h，取出水冷至室温，合金中的低∑晶界比例为74％，∑3晶界比例达到64％，锯齿晶界的平均振幅为0.68μm。
[0069]
采用与实施例1化学成分相同的5mm厚的inconel617合金板材，进行形变控冷热处理。在1200℃保温0.5h，随后水淬处理；8％的冷轧变形后，进行1050℃、2h的保温处理，以8℃/min的冷却速度冷却至650℃并保温4h，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％，∑3晶界比例达到64％，锯齿晶界的平均振幅为0.68μm，平直随机晶界的连通性被打断。将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5。将处理后的板材进行高
温保温处理(800℃，12h)，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。
[0070]
表5 inconel 617合金板材的力学性能
[0071][0072]
表6 inconel 617合金板材的高温服役后力学性能
[0073][0074]
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2h 8℃/min冷却至650℃保温4h 水冷)后合金中出现大量低∑晶界，比例达到74％，∑3晶界比例达到64％，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0.68μm，合金的室温延伸率在≥60％以上，高温服役后室温延伸率≥55％。
[0075]
综上表明，采用本发明技术方案的工艺参数范围内，均可实现本发明目的。通过形变控冷热处理，协同获得两类特殊晶界，从而显著改善合金高温力学性能。
[0076]
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。