高温时效对力学性能的影响

目前火力发电厂广泛使用的汽轮机组主要有亚临界、超临界和超超临界三种，汽轮机的安全稳定运行对保障电厂安全具有重要的现实意义。螺栓是汽轮机上广泛使用的紧固件，螺栓的质量对汽轮机能否安全运行至关重要。由于GH4145合金在980℃以下具有良好的耐腐蚀和抗氧化性能，800℃以下具有较高的强度，700℃以下具有良好的抗蠕变性能，540℃以下具有良好的抗松弛性能［1］，故这种合金已被广泛用于制造亚临界机组汽轮机汽缸、主汽门、法兰等部件的紧固螺栓，而且目前对于600MW以上的超(超)临界机组也开始使用该材料制作的紧固螺栓，其最高使用温度可达677℃(见《火力发电厂高温紧固件技术导则》DL/T439-2006)。GH4145螺栓的显微组织在服役过程中(高温、高应力作用下)会发生变化，造成其性能下降［2］。关于GH4145合金在700～870℃之间的组织、性能演变规律已有一些研究报道［3-5］，但这种合金在超(超)临界工况(服役温度为566和600℃)下的组织、性能演变规律还未见报道。因此，本文拟对GH4145合金在超(超)临界机组服役温度(566℃)下组织和性能的演变规律进行研究，以便为保障超(超)临界机组的安全运行提供试验和理论依据。

1试验材料及方法

试验材料为国产GH4145合金，其冶炼方法为真空感应炉熔炼+电渣重熔，具体化学成分见表1。首先对直径为60mm的试验合金轧制棒材进行标准热处理，即固溶处理(1130℃/2h/空冷)+双时效处理(845℃/24h/炉冷+705℃/20h/空冷)。然后分别将其在566℃时效100、300、500、750和1000h。将时效后的材料线切割成10mm×10mm×10mm的试样，采用不同型号的砂纸对平行于棒材纵截面的试样表面进行打磨，并经机械抛光后，在15gCuCl2+100mLHCl+100mLC2H5OH溶液中侵蚀30～60s，制得用于观察显微组织的试样。采用20%H2SO4+80%CH3OH溶液对上述打磨试样进行电解抛光(电解电压为20V，时间为20s)，然后在150mLH3PO4+10mLH2SO4+15gCrO3溶液中对其进行电解侵蚀(电解电压为5V，时间为3s)，制得用于观察析出相的试样。利用光学显微镜观察试样的显微组织，利用ZEISSSUPRA55场发射扫描电子显微镜(scanningelectronmicroscope，SEM)观察试样中的析出相，利用Photoshop软件采用截线法测定试样的平均晶粒尺寸，利用Image-ProPlus软件采用面积法分别测定试样中大、小晶粒的平均尺寸。综合利用Photoshop和Image-ProPlus软件测定试样中析出相的平均尺寸和体积分数。采用普通布氏硬度计(型号:XHB-3000，压头直径:5mm，施加载荷:7.355kN)按照国标GB/T231.1－2002中的规定测量所有时效试样的布氏硬度。按照国标GB/T228.1－2010、GB/T4338－2006和GB/T229－2007中的规定分别对未时效、时效500和1000h的材料进行室温与高温拉伸以及室温冲击试验。拉伸试样直径为5mm，标距为25mm;冲击试样尺寸为55mm×10mm×5mm，缺口类型为V型。

2试验结果与讨论

2.1高温时效过程中GH4145合金显微组织的演变

2.1.1显微组织试验合金在566℃时效不同时间后的显微组织如图1所示，可以看出，未时效和时效不同时间后的试验合金均由等轴晶组成，且晶内有孪晶和带状夹杂物存在。晶粒大小不太均匀，存在着尺寸相差较大的大、小两种晶粒，随时效时间的延长，晶粒尺寸无明显变化。对566℃时效不同时间试样的平均晶粒尺寸、较小和较大晶粒的平均尺寸分别进行统计，结果如图2所示。试验合金的平均晶粒尺寸、较小和较大晶粒的平均尺寸随时效时间变化的规律基本相同，时效初期(时效时间小于100h)随着时效时间的延长，合金的平均晶粒尺寸、较小和较大晶粒的平均尺寸均逐渐增大，而后趋于稳定，基本保持不变。2.1.2γ'强化相据报道［4-5］，GH4145合金中的析出相主要为γ'强化相和碳化物，图3显示出了标准热处理后试验合金中析出相的形貌。可以看出，除γ'强化相外，在晶界和晶内均存在着形状和尺寸不同的碳化物。断续地分布于晶界上的碳化物呈不规则的长条状，尺寸相对较小;随机分布于晶内的碳化物呈较规则的多边形状，尺寸相对较大，为一次碳化物。对这些碳化物进行EDS(energydispersivespectrometry)能谱分析，结果表明:无论是晶界碳化物还是晶内一次碳化物，其中Nb和Ti的含量均明显高于基体(见图4)，说明这些碳化物均为含Nb、Ti的碳化物。此外，试验合金中γ'强化相的形状和尺寸也不尽相同，弥散分布于晶内的近似立方形的γ'相尺寸较大，其平均尺寸约为97.5nm;在这些大γ'相之间以及在晶界和晶内一次碳化物周围分布的近似球形的γ'相尺寸较小，前者的平均尺寸约为39.6nm;后者的平均尺寸约为20.7nm。时效过程中镍基合金中γ'相的形状变化序列一般是:小球形大球形立方形二隅体或八隅体［6-7］。对于γ'相与基体之间错配度较小的合金，析出初期界面能是控制γ'相形状的主要因素，故刚析出的γ'相呈球形且与基体共格;随着γ'相的长大，弹性应变能逐渐增大，当其达到一定值后，γ'相就会从球形转变成立方形，其与基体间的界面也会变为半共格或非共格界面，因为在此过程中弹性应变能的减少大于界面能的增加，系统总能量会降低。此后，弹性应变能成为控制γ'相形状的主要因素。为了降低系统的弹性应变能，立方形γ'相会通过在自身不同部位发生回溶而分裂，最终变成二隅体或八隅体形状。试验合金中尺寸较大的近似立方形的γ'相是在双时效前期析出的，此时充足的γ'相形成元素和足够的时间使其可以充分长大，当其尺寸长大到一定值后便由球形转变成了立方形。而大尺寸γ'相之间的小尺寸γ'相则是在双时效后期或冷却过程中形成的，它们因其周围基体不能在较短时间内提供足够的γ'相形成元素而不能充分长大，因而尺寸较小，仍保持球形。由于晶界和晶内碳化物均为含Nb、Ti的碳化物，这些碳化物的析出必然会使其周围基体中Nb、Ti的含量降低，又由于Nb、Ti是γ'相形成元素，它们的贫化必然会推迟γ'相的析出和长大，因而晶界和晶内碳化物周围的γ'相尺寸较小，呈球形［8］。由于标准热处理态试验合金中的γ'相都是在双时效过程中形成的，故均为二次γ'相［9］。566℃时效不同时间后试验合金中γ'强化相的形貌如图5所示。可以看出，时效后尺寸较小的球形二次γ'相的形状无明显改变;部分尺寸较大的立方形二次γ'相发生了分裂，但直至时效1000h，分裂过程也未完成，故在时效试样中未能观察到二隅体或八隅体的γ'相。对时效试样中各种二次γ'相的尺寸和体积分数进行统计，结果表明:与标准热处理态相比，时效试样中各种二次γ'相的平均尺寸和体积分数均变化不大，尺寸较大的近似立方形的γ'相的体积分数保持在22%左右。但是，当时效时间达500h后，合金中出现了尺寸更加细小(平均尺寸约为12.3nm)的球形三次γ'相，且随着时效时间的进一步延长，其平均尺寸和体积分数均逐渐增大，分别从时效500h后的12.3nm、0.8%增加到了时效1000h后的14.2nm、1.49%。此外，566℃时效1000h后，试验合金晶界和晶内碳化物的形状与尺寸均无明显变化。

2.2高温时效过程中GH4145合金力学性能的演变

对566℃时效不同时间后的试样进行布氏硬度测量，结果如图6所示。随着时效时间的延长，合金的硬度逐渐增加。这是由于时效500h后合金中析出了三次γ'强化相，且随着时效时间的进一步延长，三次γ'相的数量逐渐增多。当时效时间超过750h后，合金的硬度已超出电力行业标准DL/T439－2006《火力发电厂高温紧固件技术导则》中规定的上限值331HBW。因此，GH4145合金螺栓在使用过程中容易出现硬度超标的问题。对未时效和566℃时效500、1000h的试样进行室温和高温(566℃)拉伸试验，结果如图7所示。随着时效时间的延长，无论是室温还是高温拉伸，合金的强度指标(屈服强度、抗拉强度)均逐渐增加，而塑性指标(断后伸长率、断面收缩率)却略有下降。比较室温和高温拉伸试验结果可知，高温下合金的强度指标均低于室温;而塑性指标却高于室温或与室温相当。对未时效和566℃时效500、1000h的试样进行室温冲击试验，结果如表2所示。可以看出，随时效时间的延长，合金的冲击吸收功变化不大。

3结论

1)标准热处理态下试验合金由等轴晶组成，且晶内有孪晶和带状夹杂物存在。晶粒大小不太均匀，存在着尺寸相差较大的大、小两种晶粒。566℃下，随着时效时间的延长，时效初期合金的平均晶粒尺寸、较小和较大晶粒的平均尺寸均有所增大，而后趋于稳定，基本保持不变;2)标准热处理态下试验合金中存在着形状和尺寸不同的二次γ'相，弥散分布于晶内的近似立方形的γ'相尺寸较大，在这些大γ'相之间近似球形的γ'相尺寸较小，在晶界和晶内一次碳化物周围聚集分布的近似球形的γ'相尺寸最小。566℃下，随着时效时间的延长，部分尺寸较大的立方形二次γ'相发生了分裂;当时效时间超过500h后，合金中还析出了尺寸更加细小的球形三次γ'相，且随着时效时间的进一步延长，其平均尺寸和体积分数均逐渐增大;3)566℃下，随着时效时间的延长，试验合金的塑性指标略有下降，冲击吸收功变化不大，而硬度和强度逐渐增高，因此，GH4145合金螺栓在使用过程中容易出现硬度超标的问题。

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