固溶處理對(duì)GH3230 棒材力學(xué)性能和金相組織影響研究

李強(qiáng)

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413)

高溫合金GH3230 是一種鎳基變形高溫合金，基體通過(guò)固溶合金元素得以強(qiáng)化，從而使這種材料的高溫強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性表現(xiàn)不俗。其在氧化和氮化環(huán)境條件下具有長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性，同時(shí)具有良好的成型和焊接性能。主要應(yīng)用于航空航天、工業(yè)加熱管路和化工耐熱容器等耐高溫環(huán)境[1,2]。

眾多的合金元素使該合金具有優(yōu)異的的使用性能。Cr 元素含有量約占總重量的22%～28%，在高溫條件下使用時(shí)，由于大量Cr 元素氧化作用，在該合金的表面能形成一層致密的主要成分為Cr2O3保護(hù)層，且難以脫落。W 元素和Mo 元素也是該合金中不可或缺的成分，這兩種元素的加入不僅可以提高該合金的抗蠕變性能，而且還可以增大合金的層錯(cuò)能，從而使位錯(cuò)滑移難以發(fā)生。另外，還有入少量的C 元素和B 元素，在高使用溫度下二次碳化物和硼化物會(huì)在晶界處析出，其結(jié)果也可有效的阻礙位錯(cuò)的加劇[3,4]。

目前有關(guān)GH3230 的研究主要集中在微量元素C、La對(duì)合金組織和性能的影響方面[5-7]，以及高溫?zé)嶙冃渭庸すに噷?duì)微觀組織和性能的影響方面，而關(guān)于熱處理方面的研究相對(duì)較少。GH3230 的熱處理過(guò)程主要包括固溶處理和時(shí)效處理。由于固溶處理工藝對(duì)材料的力學(xué)性能影響較大，因此本文研究了不同固溶處理工藝對(duì)高溫合金GH3230 材料的力學(xué)性能和微觀組織的影響，以期為后續(xù)時(shí)效處理提供最佳的組織條件，為優(yōu)化GH3230 熱處理制度提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

本研究中應(yīng)用的GH3230 合金，其主要化學(xué)元素所占的質(zhì)量比如表1 所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先采用真空感應(yīng)熔煉加上電渣重熔二聯(lián)工藝對(duì)實(shí)驗(yàn)用的GH3230 進(jìn)行高溫熔煉和澆注，隨后對(duì)鋼錠進(jìn)行6～8h 的高溫退火處理，然后再通過(guò)氣錘將其鍛造成棒材。待固溶處理的試樣取自鍛造棒材同一半徑尺寸位置。采用線切割加工成φ10mm×80mm 的高溫合金圓柱。在科晶KSL-1700X 箱式加熱爐中進(jìn)行固溶處理。固溶處理后將高溫合金圓柱以車加工的方式制備出拉伸試樣，拉伸試樣嚴(yán)格按照GB/T 228.1-2010 的要求來(lái)制備，隨后將制備好的拉伸試樣于常溫和高溫下置于WAW-600F 電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，以獲得其在室溫和高溫下的力學(xué)性能分析。圖1 示出了拉伸試樣的具體尺寸和最終獲得的試樣實(shí)物。

圖1 拉伸試樣尺寸圖和實(shí)物圖

表1 GH3230 合金主要化學(xué)成分( %，質(zhì)量分?jǐn)?shù))

將試樣制備后剩余的材料，采用線切割機(jī)切割出小試樣，再不同粒度等級(jí)的水砂紙上主次進(jìn)行研磨和拋光后，對(duì)拋光面進(jìn)行短時(shí)間的化學(xué)腐蝕，最終制得金相觀察和能譜分析試樣。試樣橫截面微觀組織及晶粒尺寸通過(guò)Zeiss Axio Scope A1 型光學(xué)顯微鏡(OM)來(lái)進(jìn)行觀察和拍照，其微觀形態(tài)與成分用配備有能譜儀的JSM-6510LA 型掃描電鏡( SEM)通過(guò)分析來(lái)獲得。

根據(jù)Pandat 軟件計(jì)算得到GH3230 高溫合金工藝相圖如圖2 所示。結(jié)合熱力學(xué)計(jì)算得到的工藝相圖和參考已有研究，確定試驗(yàn)采用的鎳基高溫合金GH3230 固溶處理工藝參數(shù)如表2 所示。

表2 固溶處理工藝方案

圖2 GH3230 高溫合金工藝相圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

鎳基高溫合金GH3230 中的碳化物主要是MC、M6C和M23C6這3 種類型，不同類型的碳化物以及其在合金基體中分布狀體、大小和形貌對(duì)合金的力學(xué)性能具有重大影響。碳化物尺寸越大，分布越不均勻，合金的力學(xué)性能越差，采取手段促使合金基體中的碳化物得以轉(zhuǎn)變、離散、均布并小尺寸化是熱處理的根本目的。

2.1 固溶熱處理工藝對(duì)GH3230 力學(xué)性能的影響分析

表3 示出了不同固溶處理參數(shù)下GH3230 的室溫力學(xué)性能，為了比較，在該表中也同時(shí)示出了鍛造棒材未經(jīng)固溶處理時(shí)的室溫力學(xué)性能。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，與鍛造后未經(jīng)固溶熱處理狀態(tài)相比，高溫合金經(jīng)高溫固溶處理后，其室溫?cái)嗔褟?qiáng)度有較顯著的降低；固溶熱處理時(shí)間一定時(shí)，固溶熱處理溫度升高，該合金的機(jī)械強(qiáng)度隨之降低，但變形塑性改變較?。划?dāng)固溶熱處理溫度一定時(shí)，隨著固溶熱處理時(shí)間的延長(zhǎng)，該合金的機(jī)械強(qiáng)度下降，變形塑性有所提高。在固溶溫度為1200℃，固溶時(shí)間為30min 條件下，合金可得到的綜合力學(xué)性能最優(yōu)。室溫下的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到892Mpa，而室溫下的屈服強(qiáng)度甚至超過(guò)了396MPa，室溫下的斷面收縮率以及斷后伸長(zhǎng)率也可以達(dá)到52%和48%。

表3 固溶處理工藝對(duì)GH3230 室溫力學(xué)性能的影響

2.2 固溶處理工藝對(duì)GH3230 微觀組織的影響

高溫合金GH3230 鍛造后未進(jìn)行固溶處理的金相組織如圖3 所示，從金相分析圖中可以看出鎳基高溫合金GH3230 經(jīng)過(guò)鍛造后的組織晶粒大小不均勻，具有較多的孿晶，同時(shí)含有大量的第二相質(zhì)點(diǎn)。圖4 示出了鍛造后未固溶處理時(shí)的掃描電鏡和能譜分析結(jié)果，表明圖中亮白的點(diǎn)狀區(qū)域?yàn)樘蓟u。由此可見(jiàn)，高溫合金GH3230鍛造后未進(jìn)行固溶處理時(shí)，其基體中的碳化物主要為碳化鎢，呈粗大不規(guī)則形態(tài)或網(wǎng)狀分布，大量碳化鎢的存在割裂了基體的整體性，此時(shí)盡管材料具有較高的抗拉強(qiáng)度，但其屈服強(qiáng)度不高，因而其綜合力學(xué)性能也不足夠好，材料的性能難以得到良好發(fā)揮。1200℃、30min 固溶熱處理后鎳基高溫合金GH3230 棒材的金相組織照片如圖5 所示，與未經(jīng)固溶處理的組織相比，金相組織中的黑色斑點(diǎn)明顯減少，這說(shuō)明，通過(guò)固溶熱處理，大量碳化物會(huì)地溶解到合金基體中，從而起到了固溶強(qiáng)化的作用。同時(shí)在照片中也可以看出基體中的孿晶數(shù)量也明顯增多。這正是合金綜合力學(xué)性能能得到改善的根本原因。圖6 示出了鍛造棒材經(jīng)1200℃、30min 固溶處理后的掃描電鏡照片和能譜分析結(jié)果。經(jīng)過(guò)固溶處理后，基體中的大顆粒碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)镸23C6 型碳化物，細(xì)小的呈鏈狀和細(xì)小顆粒狀的主要是碳化鉻和碳化鎢，與未經(jīng)固溶處理的組織相比，基體中的碳化物數(shù)量和尺寸都明顯變小，由此可見(jiàn)，固溶處理，不僅能改變碳化物的形貌，而且也能促進(jìn)碳化物的類型轉(zhuǎn)變，這也進(jìn)一步說(shuō)明，通過(guò)合適的固溶處理工藝可以提高鎳基高溫合金GH3230 的綜合力學(xué)性能，改善合金的顯微組織。

圖3 鍛造后未進(jìn)行固溶處理的金相組織

圖4 鍛造后未固溶處理時(shí)的掃描電鏡和能譜分析圖

圖5 1200℃、30min 固溶熱處理后的金相照片

3 結(jié)論

通過(guò)研究，表明固溶熱處理工藝可以對(duì)對(duì)鎳基高溫合金GH3230 的力學(xué)性能和顯微組織造成影響，采用合適的固溶熱處理工藝可以充分發(fā)揮材料的性能，擴(kuò)大合金的使用領(lǐng)域。固溶處理前其合金鍛造組織中存在許多大尺寸的合金碳化物；經(jīng)適當(dāng)?shù)墓倘軣崽幚砗?，合金基體中溶解的碳化物數(shù)量增多，從而使該合金棒材的韌性得以提高而強(qiáng)度有所降低。