鎳基Nimonic105合金的熱處理工藝優(yōu)化

Nimonic105合金是美國(guó)“760-USC計(jì)劃”和歐盟“AD700項(xiàng)目”推薦葉片用候選材料之一，950℃范圍內(nèi)具有高抗氧化性和高抗蠕變性?，F(xiàn)欲將其用作國(guó)產(chǎn)700℃及以上參數(shù)火電汽輪機(jī)葉片候選材料。

目前對(duì)于Nimonic105合金應(yīng)用于700℃參數(shù)及以上的長(zhǎng)期服役部件的相關(guān)研究較少。Nimonic105合金為γ’相沉淀強(qiáng)化合金，由于Al含量和C含量較高，使得其經(jīng)熱處理后具有較多沉淀強(qiáng)化相γ’相以及碳化物的析出，導(dǎo)致其具有較高的高溫強(qiáng)度和持久蠕變強(qiáng)度，同時(shí)該合金經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)熱處理后的塑、韌性極差，特別是韌性，沖擊功不到10J。由于Nimonic105等鎳基合金在長(zhǎng)期服役過程中，隨著γ’相和M23C6等析出相的析出量增加以及長(zhǎng)大、粗化，塑性和韌性逐漸降低，所以提高材料的初始塑性和韌性具有重要意義。

科研人員通過調(diào)整熱處理工藝犧牲合金部分強(qiáng)度來(lái)提高其塑性和韌性，以保證合金具有足夠的塑性、韌性儲(chǔ)備，滿足長(zhǎng)期服役過程中的使用要求，避免在試驗(yàn)過程中發(fā)生突然脆斷。

試驗(yàn)材料為某鋼廠提供的采用真空感應(yīng)+真空自耗方法按標(biāo)準(zhǔn)成分冶煉的Nimonic105合金，交貨狀態(tài)為：熱軋態(tài)后切削加工成的Φ45mm×2000～3000mm的棒材。組織為均勻、等軸奧氏體組織，只有少量極細(xì)小的顆粒氧化物夾雜（D類細(xì)系0.5級(jí)），冶煉質(zhì)量較好。試驗(yàn)料的成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）為：C0.151，Cr15.02，Ti1.30，Al4.70，Co20.36，Mo5.02，B0.007，Cu0.07，Zr0.12，Mn0.02，Si0.06，F(xiàn)e0.11，Ni余量。

運(yùn)用Thermo-calc軟件對(duì)Nimonic105合金的熱力學(xué)平衡相相圖進(jìn)行了模擬計(jì)算，計(jì)算參數(shù)為:壓強(qiáng)為1.01325×105Pa，溫度計(jì)算范圍為400～1200℃，分析了不同溫度下的平衡析出相特點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)熱處理工藝為1150℃×4h，AC+1060～1065℃×16h，AC+850℃×16h，AC。對(duì)比研究了固溶后以及二次固溶后采用不同冷卻方式和不同熱處理工藝對(duì)Nimonic105合金力學(xué)性能的影響，對(duì)經(jīng)不同熱處理后的試驗(yàn)料進(jìn)行了顯微組織觀察以及析出相的定性與化學(xué)定量分析。

研究結(jié)果表明：只采用固溶處理（單固溶或雙固溶）可有效提升Nimonic105合金的室溫沖擊韌性，且固溶處理后，冷速越快對(duì)合金韌性的提升越大；γ’相可提高Nimonic105合金的室、高溫屈服強(qiáng)度；M23C6相僅能提高Nimonic105合金的高溫抗拉強(qiáng)度和高溫塑性，對(duì)Nimonic105合金的室溫抗拉強(qiáng)度和室、高溫屈服強(qiáng)度的影響不大，而且晶界大量析出的M23C6相是Nimonic105合金沖擊韌性下降的主要原因；只進(jìn)行雙固溶處理后可獲得12%的γ’相和2.5%的M23C6相，使Nimonic105合金具有較好的室、高溫強(qiáng)度，同時(shí)保證了其塑性和沖擊韌性仍處于較高的水平；Nimonic105合金的優(yōu)化熱處理工藝為1150℃×4h水冷+1065℃×2h水冷，對(duì)于大型部件冷卻方式可考慮選用油冷。