在250 MPa恒拉應(yīng)力下對(duì)鐵鎳基高溫合金開展675 ℃和700 ℃高溫蠕變?cè)囼?yàn)，研究了不同溫度下試驗(yàn)合金的蠕變性能及蠕變斷裂后的顯微組織。
結(jié)果表明：不同溫度下蠕變后試驗(yàn)合金的蠕變斷裂方式均為沿晶斷裂，700 ℃下的蠕變壽命比675 ℃下縮短7891 h，700 ℃下試驗(yàn)合金的過早斷裂與其組織中形成較多不均勻分布的位錯(cuò)纏結(jié)有關(guān)。675 ℃蠕變后試驗(yàn)合金的晶粒尺寸明顯大于700 ℃蠕變后，且晶粒尺寸分布更分散。
與675 ℃蠕變后相比，700 ℃蠕變后試驗(yàn)合金中TiC尺寸較大，且趨于團(tuán)聚或呈條帶狀分布，Cr23C6的平均寬度較小；不同溫度蠕變后的Cr23C6碳化物均未形成明顯的連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；不同溫度蠕變后晶粒內(nèi)γ′相呈球形，675 ℃下γ′相平均尺寸更大；不同溫度蠕變后試驗(yàn)合金晶界上均存在極少量無析出區(qū)和不連續(xù)粗化區(qū)。
論文標(biāo)題：
不同溫度下鐵鎳基高溫合金的蠕變性能及組織演變
01研究背景
在火力發(fā)電領(lǐng)域，超超臨界發(fā)電技術(shù)的蒸汽溫度達(dá)到700 ℃，蒸汽壓力約為35 MPa，這種惡劣的環(huán)境對(duì)發(fā)電設(shè)備材料提出了很高的性能要求。此外，為節(jié)約成本、提高生產(chǎn)效率，材料的設(shè)計(jì)服役時(shí)間很長(zhǎng)，這就要求材料還要具備良好的高溫蠕變性能。
鎳基高溫合金能夠滿足新一代超超臨界發(fā)電技術(shù)的性能要求，但其成本太過昂貴，不能在火力發(fā)電設(shè)備中大量應(yīng)用，因此研究人員通過成分優(yōu)化、熱處理改性等手段研發(fā)出了高溫服役性能優(yōu)異且成本較低的鐵鎳基高溫合金。鐵鎳基高溫合金中添加的鈦、鋁、鎢、鈷等元素可通過元素固溶或生成析出相等形式提高合金強(qiáng)度，并改善其高溫蠕變性能。同時(shí)，鐵含量的增加也進(jìn)一步改善了合金的加工性能。
鐵鎳基高溫合金組織中分布著大量的γ′相和碳化物：γ′相具有面心立方（FCC）晶體結(jié)構(gòu)，其化學(xué)式為Ni3Al或Ni3(Al,Ti,Nb)，可以阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，增加高溫合金的變形阻力；碳化物與γ′相的晶體結(jié)構(gòu)相似，通常以(Nb,Ti)C或Cr23C6的形式存在。
在長(zhǎng)期蠕變過程中，γ′相及碳化物粗化導(dǎo)致的性能惡化是鐵鎳基高溫合金在實(shí)際服役時(shí)發(fā)生失效的主要因素。對(duì)鐵鎳基高溫合金在高溫蠕變條件下的組織演變進(jìn)行研究將為進(jìn)一步提升合金的高溫蠕變性能提供設(shè)計(jì)依據(jù)。但是，目前相關(guān)研究較少。
基于此，作者在250 MPa恒拉應(yīng)力下對(duì)鐵鎳基高溫合金進(jìn)行675 ℃和700 ℃高溫蠕變?cè)囼?yàn)，研究了不同溫度下試驗(yàn)合金的蠕變性能及組織演變，以期為超超臨界發(fā)電設(shè)備的材料研發(fā)提供參考。
02研究亮點(diǎn)
1 試樣制備與試驗(yàn)方法
本章節(jié)詳細(xì)介紹了鐵鎳基高溫合金的試樣制備與試驗(yàn)方法。首先，試驗(yàn)材料采用真空感應(yīng)熔煉制備，并給出了具體的化學(xué)成分。試樣經(jīng)線切割后，經(jīng)過1120 ℃固溶2小時(shí)水冷和845 ℃時(shí)效12小時(shí)空冷處理，以均勻化元素分布并析出強(qiáng)化相。隨后，制備了標(biāo)準(zhǔn)蠕變?cè)嚇樱?75℃和700℃下進(jìn)行250 MPa恒應(yīng)力蠕變?cè)囼?yàn)。
試驗(yàn)后，利用SEM觀察斷口形貌，通過線切割、研磨和電解雙噴制備TEM試樣，觀察位錯(cuò)結(jié)構(gòu)；同時(shí)切取組織試樣，經(jīng)研磨拋光后，采用OM、SEM和EBSD技術(shù)分別分析顯微組織、微觀結(jié)構(gòu)和晶體取向，數(shù)據(jù)通過AztecCrystal軟件處理。
2 試驗(yàn)結(jié)果與討論
本章節(jié)重點(diǎn)分析了鐵鎳基高溫合金在675 ℃和700 ℃、250 MPa應(yīng)力下的蠕變性能及組織演變。溫度升高25 ℃使蠕變壽命從10271 h大幅縮短至2380 h，表明溫度對(duì)蠕變壽命影響顯著。斷口分析顯示均為沿晶斷裂的冰糖狀斷口，700 ℃斷口更粗糙且氧化較輕。
組織方面，700 ℃下位錯(cuò)含量更高、分布不均且纏結(jié)嚴(yán)重，導(dǎo)致應(yīng)力集中；675 ℃下因蠕變時(shí)間更長(zhǎng)，平均晶粒尺寸更大（131.4 μm vs 125.0 μm）。
碳化物中，TiC在700 ℃下尺寸更大且分布不均，CrC尺寸較小但穩(wěn)定性較好，未形成連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。γ′相在675 ℃下尺寸更大（47.4 nm vs 28.16 nm），其粗化遵循LSW理論；僅存在少量無析出區(qū)（PFZs）和不連續(xù)粗化區(qū)（DCZs），表明合金組織穩(wěn)定性良好，具備較好的抗蠕變性能和長(zhǎng)期服役潛力。
不同溫度蠕變后試驗(yàn)合金的宏觀和微觀斷口形貌
不同溫度蠕變斷裂后試驗(yàn)合金中γ′相的形貌
03結(jié)束語
（1）250 MPa恒拉應(yīng)力、不同溫度（675，700 ℃）下蠕變時(shí)鐵鎳基高溫合金的蠕變斷裂方式均為沿晶斷裂，700 ℃下的蠕變壽命比675 ℃下縮短7891 h，700 ℃下的過早斷裂與該溫度蠕變時(shí)合金中形成較多不均勻分布的位錯(cuò)纏結(jié)有關(guān)。675 ℃蠕變斷裂后試驗(yàn)合金的晶粒尺寸明顯大于700 ℃蠕變斷裂后，且晶粒尺寸分布更分散。
（2）與675 ℃蠕變斷裂后相比，700 ℃蠕變斷裂后試驗(yàn)合金中的TiC尺寸較大，趨于團(tuán)聚或條帶狀分布，Cr23C6的平均寬度較小。不同溫度下蠕變后的Cr23C6碳化物均未形成明顯的連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
（3）不同溫度蠕變斷裂后試驗(yàn)合金的晶粒內(nèi)γ′相呈球形，675 ℃下γ′相平均尺寸更大，γ′相的粗化行為遵循Lifshitz-Slovozov-Wagner（LSW）生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)理論。試驗(yàn)合金晶界上均存在極少量無析出區(qū)和不連續(xù)粗化區(qū)，無析出區(qū)和不連續(xù)粗化區(qū)的形成與晶界遷移導(dǎo)致的γ′相溶解和長(zhǎng)大有關(guān)。
京公網(wǎng)安備11010802046783號(hào)
