一種冷軋態鎳鐵基高溫合金晶界強化的熱處理工藝的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種冷軋態鎳鐵基高溫合金晶界強化的熱處理工藝，包括以下三個步驟：1)在0.84～0.87Tm(Tm為合金材料的熱力學熔點溫度)進行固溶處理0.75～1.5小時，然后將鎳鐵基高溫合金試樣出爐，進行空冷至室溫；2)在M23C6型碳化物固溶溫度以下30～60℃保溫1～2小時，然后將鎳鐵基高溫合金試樣出爐，進行空冷至室溫；3)在γ'相固溶溫度以下150～200℃保溫8～20小時，然后將鎳鐵基高溫合金試樣出爐，進行空冷至室溫。通過本發明熱處理工藝獲得的鎳鐵基高溫合金在晶界連續、均勻分布有M23C6型碳化物，在晶內均勻分布有強化相γ′，且合金在高溫條件下持久性能好，顯微硬度較高，具有較高的抗拉強度。
【專利說明】一種冷軋態鎳鐵基高溫合金晶界強化的熱處理工藝 【【技術領域】】
[0001] 本發明屬于電站高溫合金材料領域，具體為一種具有y/y'雙相組織的冷軋態 鎳鐵基高溫合金晶界強化的熱處理工藝。 【【背景技術】】
[0002] 隨著電力技術的發展，發展700°C超超臨界燃煤發電技術，對我國節約能源、降低 污染物和二氧化碳排放具有十分重要的戰略意義和實際應用價值。電站蒸汽參數從600°C 超（超）臨界和亞臨界提高到700°C超超臨界水平（700°C/35MPa)，就要求關鍵部件選用的 金屬材料的性能要適應鍋爐內部更加惡劣的服役環境。傳統耐熱鋼已不能滿足使用要求， 而鎳鐵基高溫合金相對于鎳基高溫合金具有更好的經濟性和加工性，具有較好的開發和應 用前景。對于服役時間在十幾萬小時甚至更長的電站關鍵高溫部件（如管道、汽輪機葉片 等）材料，其高溫持久強度是一項重要衡量指標，即要求材料在服役溫度下10萬小時的持 久強度不低于l〇〇MPa。
[0003] 鎳鐵基高溫合金的基體為奧氏體Y相，晶內主要的沉淀強化相有，（Ni3(Ti、 A1))和Y〃(Ni3Nb)相兩類，晶界主要分布少量碳化物、硼化物、Laves相（如Fe2Nb)和δ 相等，其中M23C6型碳化物是鎳鐵基高溫合金晶界最重要的強化相。在高溫下，晶界處是合 金組織的薄弱環節，若晶界強度較低，合金在長期持久應力作用下易發生沿晶斷裂，嚴重影 響合金材料的高溫持久強度。因此，為獲得較高的持久強度，必須通過不同的熱處理工藝調 整合金在冷軋后的晶粒度大小和晶界析出相的種類和分布，以提高晶界的高溫強度和蠕變 抗力。 【
【發明內容】
】
[0004] 本發明的目的在于提供一種冷軋態鎳鐵基高溫合金晶界強化的熱處理工藝，提高 鎳鐵基高溫合金的高溫持久強度。
[0005] 為達到上述目的，本發明采用的技術方案是：
[0006] -種冷軋態鎳鐵基高溫合金晶界強化的熱處理工藝，包括如下步驟：
[0007] 1)按質量分數取以下成分范圍內的鎳鐵基高溫合金冷軋板材，具體成分為：Cr元 素含量20. 0?25. 0% ;Fe元素含量20. 0?30. 0% ;Mn元素含量0. 4?1. 0% ;Si元素含 量0· 05?0· 2% ;Nb元素含量0· 4?1. 0% ;W元素含量0· 4?2. 0% ;Mo元素含量0· 1? 0· 5% ;A1元素含量1. 1?2. 0% ;Ti元素含量1. 2?2. 0% ;C元素含量0· 01?0· 05% ;B 元素含量〇· 001?〇· 005% ;Zr元素含量0· 01?0· 05% ;V元素含量0· 1?1. 0% ;N元素 含量0. 01?0. 03% ;其余為Ni元素含量；
[0008] 2)第一步進行高溫固溶處理：在0. 84?0. 87Tm下進行固溶處理0. 75?1. 5小 時，然后將鎳鐵基高溫合金試樣出爐，進行出爐空冷至室溫；
[0009] 3)第二步進行高溫時效處理：在M23C6型碳化物固溶溫度以下30?60°C保溫1? 2小時，然后將鎳鐵基高溫合金試樣出爐，進行空冷至室溫；
[0010] 4)第三步進行低溫時效處理：在γ '相固溶溫度以下150?200°C保溫8?20小 時，然后將鎳鐵基高溫合金試樣出爐，進行空冷至室溫，得到晶界強化的鎳鐵基高溫合金。 [0011] 本發明進一步改進在于，所獲得的鎳鐵基高溫合金的平均晶粒度不大于120微 米。
[0012] 本發明進一步改進在于，所獲得的鎳鐵基高溫合金的強化相Y'（Ni3(Al，Ti))平 均尺寸不大于60納米，最大尺寸不超過80納米;M 23C6型碳化物在晶界連續、均勻分布。
[0013] 本發明進一步改進在于，所獲得的鎳鐵基高溫合金的顯微硬度達到300HV以上。
[0014] 與現有技術相比，本發明針對該成分范圍內700°C超超臨界電站用Y/Y'雙相鎳 鐵基高溫合金，通過對該類合金冷軋后進行三個階段的熱處理，以對合金晶界進行強化，提 高合金的高溫持久強度。
[0015] 冷軋后的鎳鐵基高溫合金的組織為加工硬化的奧氏體基體帶狀組織，具有明顯的 取向性。固溶處理的過程中首先是讓加工硬化的的組織發生再結晶和晶粒長大；同時使 相全部固溶到Υ基體中。固溶處理溫度不宜太高或時間不宜太長，否則會導致奧氏體 再結晶后晶粒過于粗大，晶界氧化嚴重。本發明限定的固溶處理溫度為〇. 84?0. 87Tm(Tm 為合金材料的熱力學熔點溫度）進行固溶處理〇. 75?1. 5小時，既可使合金冷軋后充分再 結晶、控制晶粒度大小，同時也使相充分固溶在基體中。
[0016] 在高溫條件下，合金晶界處相對晶內為薄弱的環節，為提高合金的高溫持久強度， 必須防止合金從晶界處萌生裂紋導致沿晶斷裂。在晶界上析出M 23C6型碳化物及微量的硼 化物可以強化晶界的高溫強度，但碳化物在晶界上不同的分布形貌對性能的影響很大。本 發明通過控制時效處理溫度和時間來控制％不 6型碳化物在晶界的析出量和分布形貌，提出 該類鎳鐵基高溫合金固溶處理后的時效工藝為在M23C 6型碳化物固溶溫度以下30?60°C保 溫0. 75?1. 5小時，可使碳化物（及微量硼化物）連續、均勻地分布在晶界，從而強化晶界 以提商持久性能。
[0017] 相析出強化是高溫合金晶內主要的強化方式，相的尺寸和體積分數與合 金性能密切相關，亦由時效處理時的溫度和時間決定。時效溫度太高或者時間太長會導致 相尺寸粗大，合金的性能劣化；時效后采取空冷的冷卻方式可以獲得尺寸較小的 相。本發明低溫時效工藝為在，相固溶溫度以下150?200°C保溫8?20小時，然后空 冷至室溫。
[0018] 本發明的技術優勢在于獲得的合金組織晶粒尺寸相對較大；晶界連續、均勻分布 的M23c 6型碳化物在高溫時對晶界的強化作用好，能顯著提高合金的顯微硬度、抗拉強度和 持久強度。 【【專利附圖】
【附圖說明】】
[0019] 圖1為本發明冷軋態鎳鐵基高溫合金材料熱處理工藝示意圖；
[0020] 圖2為本發明得到的鎳鐵基高溫合金的宏觀組織形貌圖；
[0021] 圖3為本發明得到的鎳鐵基高溫合金的強化相Y '組織形貌圖；
[0022] 圖4為晶界析出的M23C6型碳化物組織形貌圖。 【【具體實施方式】】
[0023] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步的說明。
[0024] 實施例1 :
[0025] 參見圖1，取
【發明內容】
中成分范圍內的一種鎳鐵基高溫合金，該合金熔點溫度為 1400°C (1673K)，γ'相的固溶溫度為934°〇，1123(：6型碳化物的固溶溫度為855°C。將該成 分鎳鐵基高溫合金板材在室溫下從20mm軋制到10mm，然后進行第一步固溶處理，將合金樣 品在1150°C保溫時間為1小時后出爐空冷至室溫；第二步進行高溫時效處理，將合金樣品 在820°C保溫1小時后空冷至室溫；第三步進行低溫時效處理，將合金樣品在780°C保溫16 小時后空冷至室溫。熱處理后的合金組織晶粒度113微米，γ'相平均尺寸為55納米，晶 界連續、均勻分布著碳化物（見圖2和圖3)，顯微硬度為302HV。
[0026] 實施例2 :
[0027] 參見圖1，取
【發明內容】
中成分范圍內的一種鎳鐵基高溫合金，該合金熔點溫度為 1392°C (1665K)，γ'相的固溶溫度為956°〇，1123(：6型碳化物的固溶溫度為839°C。將該成 分鎳鐵基高溫合金板材在室溫下從20mm軋制到10mm，然后進行第一步固溶處理，將合金樣 品在1150°C保溫時間為0. 75小時后出爐空冷至室溫；第二步進行高溫時效處理，將合金樣 品在810°C保溫1小時后空冷至室溫；第三步進行低溫時效處理，將合金樣品在770°C保溫 12小時后空冷至室溫。熱處理后的合金組織晶粒度120微米，γ'相平均尺寸為60納米， 晶界連續、均勻分布著碳化物（見圖2和圖3)，顯微硬度為306HV。
[0028] 由圖4可以看出，經過本發明處理后，1123(：6型碳化物在晶界處連續、均勻分布，填 充整個晶界；而未經該方法得到的晶界析出物量少、不連續，且在晶界上發生偏聚、長大，不 能均勻地填充滿整個晶界，在晶界上沒有析出物的位置從而成為了材料的薄軟環節。
【權利要求】
1. 一種冷軋態鎳鐵基高溫合金晶界強化的熱處理工藝，其特征在于，包括如下步驟： 1) 按質量分數取以下成分范圍內的鎳鐵基高溫合金冷軋板材，具體成分為：Cr元素 含量20. 0?25. 0% ;Fe元素含量20. 0?30. 0% ;Mn元素含量0. 4?1. 0% ;Si元素含 量0· 05?0· 2% ;Nb元素含量0· 4?1. 0% ;W元素含量0· 4?2. 0% ;Mo元素含量0· 1? 0· 5% ;A1元素含量1. 1?2. 0% ;Ti元素含量1. 2?2. 0% ;C元素含量0· 01?0· 05% ;B 元素含量〇. 001?〇. 005% ;Zr元素含量0. 01?0. 05% ;V元素含量0. 1?1. 0% ;N元素 含量0. 01?0. 03% ;其余為Ni元素含量； 2) 第一步進行高溫固溶處理：在0. 84?0. 87Tm下進行固溶處理0. 75?1. 5小時，然 后將鎳鐵基高溫合金試樣出爐，進行空冷至室溫； 3) 第二步進行高溫時效處理：在M23C6型碳化物固溶溫度以下30?60°C保溫1?2小 時，然后將鎳鐵基高溫合金試樣出爐，進行空冷至室溫； 4) 第三步進行低溫時效處理：在Y '相固溶溫度以下150?200°C保溫8?20小時， 然后將鎳鐵基高溫合金試樣出爐，進行空冷至室溫，得到晶界強化的鎳鐵基高溫合金。
2. 根據權利要求1所述的冷軋態鎳鐵基高溫合金晶界強化的熱處理工藝，其特征在 于：所獲得的鎳鐵基高溫合金的平均晶粒度不大于120微米。
3. 根據權利要求1所述的冷軋態鎳鐵基高溫合金晶界強化的熱處理工藝，其特征在 于：所獲得的鎳鐵基高溫合金的強化相平均尺寸不大于60納米，最大尺寸不超過80 納米;M 23C6型碳化物在晶界連續、均勻分布。
4. 根據權利要求1所述的冷軋態鎳鐵基高溫合金晶界強化的熱處理工藝，其特征在 于：所獲得的鎳鐵基高溫合金的顯微硬度在300HV以上。
【文檔編號】C22C30/00GK104152827SQ201410384335
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月6日 優先權日:2014年8月6日
【發明者】尹宏飛, 谷月峰, 趙新寶, 黨瑩櫻, 魯金濤, 嚴靖博, 楊珍 申請人:華能國際電力股份有限公司, 西安熱工研究院有限公司