700℃超超临界锅炉材料GH4700镍基合金组织演变研究.pdf

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 44   材料工程/2013年9期℃   700超超临界锅炉材料GH4700  合金组织演变研究       MicrostructureEvolutionofGH4700Superalloy ℃ —  for700UltrasupercriticalBoilers 镍基     曾莉,王岩,李      莎,李阳,金宪哲                 (太原钢铁(集团)有限公司先进不锈钢材料国家重点实验室,太原030003)      — ZENGLi,WANGYan,LISha,LIYang,JINXianzhe       (StateKeyLaboratoryofAdvancedStainlessSteel,     TaiyuanIronandSteel(Group)Co.,Ltd.,Taiyuan030003,China)      ℃      摘要:通过热压缩实验、组织分析同时结合热力学和动力学计算方法,对700超超临界锅炉材料GH4700镍基合金组            织演变进行研究,结果表明:GH4700镍基合金具有较高的变形温度和应变速率敏感性,随着变形温度的下降和应变速           率的增大,合金的流变应力迅速升高,其动态再结晶形核方式为典型的应变诱导晶界迁移形核;其热变形激活能及晶粒   长大激活能分别为345.0948kJ/mol和252.05kJ/mol。     关键词:超超临界;镍基合金;热变形— doi:10.3969/j.issn.10014381.2013.09.009  中图分类号:TG319  文献标识码:A —— 文章编号:1001~4381(2013)09004404         — Abstract:Bythermalcompressionexperiment,microstructureanalysis,combinedwiththermodynam              — icandkineticcalculationmethods,themicrostructureevolutionofGH4700superalloyfor700 ̄Cultra               supercriticalboilerswasstudied.TheresultsshowthattheGH4700superalloyismoresensitivetothe                deformationtemperatureandstrainrate.Asthedeformationtemperaturedecreasesandthestrainrate               increases,theflowstressofthesuperalloyincreasesrapidly.Themodeofitsdynamicrecrystallization    —       — nucleationisatypicalstraininducedgrainboundarymigrationnucleation.Thehotdeformationactiva            tionenergyandgraingrowthactivationenergyare345.0948kJ/moland252.05kJ/molrespectively. ——   Keywords:ultrasupercritical;Nibasesuperalloy;hotdeformation     提高火力发电机组热效率,降低CO排放量,是              解决能源和环境两大问题的重要方向E1,2]。已有研究               表明,提高火电厂锅炉的蒸汽参数可以有效地提高火  力发电机组效率。不断提高的蒸汽参数对锅炉管道用                高温材料提出了巨大的挑战,对超超临界机组锅炉用           管道材料,尤其是过热器、再热器管材料的开发和研制             ℃ 成为整个能源计划的核心_3]。为了发展我国700    蒸汽参数超超临界电站锅炉用管材,结合国际上的设             计思路,本工作在INC0NEL740H的基础之上,提出              设计了GH4700镍基高温合金,其主要成分为55Ni一 25Cr一20Co。GH4700的合金化程度高,由于有害杂质               元素偏析以及低熔点共晶和组织的存在,造成其热加            工性能差。目前关于热加工工艺参数对组织影响规律    的研究不足,进一步研究合金在热加工过程中的组织                演变,对于了解热塑性特征及确定热加工过程的工艺               参数具有理论指导意义。迄今为止关于GH4700镍           基合金热加工过程组织演变及再结晶行为的研究还鲜  见报道。本工作采用等温压缩实验方法,对GH4700          合金在热加工过程中的组织演变规律及再结晶行为进   行研究。    1实验    1.1原料及制备         实验用GH4700合金的化学成分如表1所示。试    样规格为8mm×            12mm的圆柱形,取自锻态材料。        在Gleeble1500热模拟试验机上进行GH4700合金不              同变形温度与应变速率的等温单轴压缩变形,实验温   ℃         度为1120~1210,应变速率为0.1~20s,工程应              ℃    变为15~6O。所有试样均以20/s加热至℃              1230保温4min,然后冷却至变形温度后开始压缩,              实验数据由计算机自动记录收集,变形完成后迅速将     7OO ̄C超超临界锅炉材料GH4700镍基合金组织演变研究 45         试样水冷至室温以保留变形组织。   1.2分析测试       变形后试样沿轴向剖开,采用1.5gCuS04+40mL   HCI+20mL酒精进行腐蚀,观察分析不同变形条件下        合金微观组织的演变过程以及动态再结晶行为。        表1GH4700合金的化学成分(质量分数/J        Table1ChemicalcompositionofGH4700superalloy    (massfraction/) C Al Ti Cr Co O N S Ni                 0.0331.351.6125.0020.000.00130.00490.0006Bal     2结果与讨论      2.1GH4700合金的流变行为   图1为不同变形温度与应变速率条件下GH47OO    合金的峰值应力。由图1可知合金的流变行为具有较   高的变形温度和应变速率敏感性,合金的流变应力随  着变形温度的升高和应变速率的减小而降低。  矗 皇 尝 景    图1不同变形温度和应变速率条件下GH4700合金的峰值应力           Fig.1PeakstressofGH4700alloyatvariousdeformation    temperaturesandstrainrates   热变形是一个受激活控制的过程,流变应力主要   与变形温度、应变速率及应变有关。GH4700合金的    激活能可通过式(1)计算]:—  ”   Zkexp(争)一A[sinh(a)](1)   —        式中:z为ZenerHollomon参数;口为流变应力, ℃     MPa;T为变形温度,;为应变速率,s_。;A,a和             分别为材料常数;R为气体常数,其值为8.314J/(t      ool・K);Q为形变激活能,J/mol。 对式(1)两边求导,并根据实验数据,采用线性回归           方法,得到激活能Q为345.o948k]/mol,如图2与图3    所示。z参数为:Z一eXp()一xp( )。 百 善 兰      图2ln[sinh(aa)]与ink的关系      Fig.2Relationofln[sinh(aa)]andInk     图3ln[sinh(aa)]与lOO0/T的关系      Fig.3Relationofln[sinh(aa)]and1000/T          2.2变形参数对合金组织演变过程的影响             图4(a)为GH470O合金锻件的组织形貌。本工             ℃ 作设定实验过程中,压缩试样首先被加热到1230并 保温4r  ain,以保证合金原始组织的均匀性。保温后合         金为典型的固溶组织,如图4(b)所示。     ℃     图5为GH4700合金在1180/0.1S变形条件                  下的热变形组织的发展过程。可以看出当变形量为              15时,原始晶粒出现晶界弓弯,并在晶界及孪晶界处  有动态再结晶晶粒形成。母晶粒中的孪晶界也出现弯     曲,部分动态再结晶晶粒在孪晶界处形核(图5(a))。               这说明GH47OO合金动态再结晶形核方式为典型的               应变诱导晶界迁移形核。在热变形过程中,位错在晶            界及孪晶界处堆积,由于合金的层错能较低,位错的交            滑移和攀移受到抑制,导致动态回复较弱,加速了位错            的堆积过程。晶界处位错的局部调整导致晶界弓弯出  现,并在弓弯内侧形成位错密度极低的新晶粒核心,核 心向位错密度较高的母晶粒扩展使动态再结晶晶粒逐                渐长大。当变形量为3O时,母晶粒晶界被再结晶晶   “ ”         粒覆盖,形成项链组织,部分新晶粒扩展进入变形晶              粒中(图5(b));当变形量达到60%时,合金基本为动    态再结晶组织,晶粒得到细化,但仍存留局部未再结晶   区域(图5(c))。  7oo ̄C超超临界锅炉材料GH4700镍基合金组织演变研究 47               与峰值应变有线性关系,对于GH4700合金可认为临                界应变e一0.5£。动态再结晶为典型的形核长大过        “”     程,所以其比例随应变量的变化呈S型曲线,s由该             曲线内插值得到。将实验结果中变形量为15,30          “” 和6O%时动态再结晶百分数(包含原点)的值进行s               曲线拟合(见图6),得到不同变形条件下的e。对式   (2)进行推导,采用z函数进行统一描述,线性拟合求        得各个系数,获得动态再结晶模型为.  1.12—  —      xDRx一1一expFln2f1](4) L     \eo5/ J £c一1.035×   10・Z。 (5)Eo. 一7.9× 10  。・expf  1(6)  Trilestrain    ℃ 图6GH4700合金在1180时动态再结晶百分数与 真应变的关系        Fig.6Relationshipofdynamicrecrystallizati0npercentageand      ℃ truestrainofGH4700atl18O             在热变形结束后的保温或空冷过程中,虽然动态                再结晶已经使材料内部的形变能基本释放完全,但组               织仍然不是完全稳定的,势必会发生晶粒的长大。此           时晶粒长大的驱动力不再是再结晶晶粒扩展时晶界两    侧的位错密度差,而是系统内总界面能的降低,大晶粒               靠消耗小晶粒而逐渐长大。从组织演化模型式(3)可 以看出,温度和保温时间是决定晶粒尺寸的核心因素。   线性拟合In(D§         。一DRx)与1/T,即得到长大激活能       的函数Q/R。将本实验数据代入得出长大激活能      Q。。为252.05kJ/mol。晶粒长大方程为:  0(-i,2/9 —     DGDRx+3.82x10・t・expf 1(7)    3结论             (1)GH4700合金的流变行为具有较高的变形温   度和应变速率敏感性,随着变形温度的下降和应变速    率的增大,合金的流变应力迅速升高;热变形激活能Q  为345.0948kJ/mol。    (2)GH4700合金动态再结晶形核方式为典型的   应变诱导晶界迁移形核;GH4700合金的再结晶百分                数随着变形温度的升高而明显增加,随着应变速率的            提高而有所减少;应变速率较大时,高应变速率导致的            温升作用,使得再结晶晶粒尺寸增大。           (3)GH4700合金晶粒长大激活能为252.05kJ/  tool。    参考文献 [1] r-2-1 [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] ElO]        — GIBBONSTB.Superalloyinmodernpowergenerationapplica   — tionsEJ].MaterialsScienceandTechnology,2009,25(2):129 135.        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