电子束熔炼Inconel 740合金不同热处理状态下的组织演变与显微硬度.pdf

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电子束熔炼Inconel 740合金不同热处理状态下的组织演变与显微硬度1 电子束熔炼Inconel 740合金不同热处理状态下的组织演变与显微硬度2 电子束熔炼Inconel 740合金不同热处理状态下的组织演变与显微硬度3 电子束熔炼Inconel 740合金不同热处理状态下的组织演变与显微硬度4 电子束熔炼Inconel 740合金不同热处理状态下的组织演变与显微硬度5 电子束熔炼Inconel 740合金不同热处理状态下的组织演变与显微硬度6
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第432O15年卷4月第第4期—1924页材料工JournalofMaterials程EngineeringV01.43No.4—Apr.2015PP.1924电子束熔炼Inconel740合金不同热处理状态下的组织演变与显微硬度Micr0structureEvolutionandMicrohardnessof—Inconel740AlloyinDifferentHeattreatmentConditionsPreparedbyElectronBeamMelting谭毅,廖娇,李佳艳,石爽,王清,游小刚。,李鹏廷。,姜辛(1大连理工大学材料科学与工程学院,辽宁大连116024;2大连理工大学辽宁省太阳能光伏系统重点实验室,辽宁大连116024)—TANYi,LIAOJiao,LIJiayan,SHIShuang,——WANGQing,YOUXiaogang。,LIPengting,JIANGXin(1SchoolofMaterialsScienceandEngineering。DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,Liaoning,China;2KeyLaboratoryforSolarEnergyPhotovoltaicSystemofLiaoningProvince,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,Liaoning,China)摘要:利用电子束熔炼技术制备Inconel740合金,研究热处理状态下合金的组织演变过程与显微硬度的分布情况,分析热处理过程中合金相析出规律与相分布特点。结果表明:合金宏观组织良好,夹杂物含量较少,晶粒尺寸在2mm左右。标准热处理后的组织主要为奥氏体,并有大量孪晶,晶界上碳化物M2。c。呈连续分布,同时也有G相和Tl相析出。晶内析出大量球形、尺寸大小约为30nm的强化相。电子束熔炼制备的Inconel740合金在标准热处理状态下的显微硬度明显高于传统方法制备的同种合金,约高120HV。关键词:电子束熔炼;Inconel740合金;组织;显微硬度doi:10.11868/j.issn.1001-4381.2015.04.004中图分类号:TF134文献标识码:A——文章编号:10014381(2015)040019-06—Abstract:Inconel740alloywaspreparedbyelectronbeammelting(EBM).Themicrostructureevolutionandmicrohardnessvariationofthealloyunderheattreatmentconditionswereinvestigated。the—precipitationprincipleanddistributioncharacteristicsofphasesduringheattreatmentprocesswereanalyzed.TheresultsindicatethatInconel740alloyhasagoodmacrostructureandlowerinclusioncon-tent,thegrainsizeiSabout2mm.ThemicrostructureiSaustenitewithalotoftwincrystalsafterstandardheattreatment,theM23C6carbidesaredistributedcontinuouslyonthegrainboundaries,withGphaseandT)phase.Lotsofsphericaland30nminsizestrengthenphase7precipitateinthegrain.ThemicrohardnessofInconel740alloypreparedbyelectronbeammeltingwithstandardheattreatmentisabout120HVo1higherthanthesamealloythatmadethroughtraditionalmethod.Keywords:electronbeammelting;Inconel740alloy;microstructure;microhardness镍基高温合金由于其良好的高温强度和抗氧化腐蚀性能、优异的抗蠕变以及稳定性在航空、能源、交通运输和化工等工业领域得到广泛应用。本工作研究的是用于电站中超超临界锅炉过热器和再热器管道用新型镍基高温合金Inconel740,根据电厂必须安全运行几十年的要求,要求管材在工作温度条件下必须具有持久强度和足够的抗氧化腐蚀性℃能,其具体目标表现为750、运行10h的蠕变强度不小于100MPa和2×10h截面的腐蚀损失小于“2mm[。]。超超临界蒸汽参数锅炉的关键部件过热Z0材料工程2O15年4月器和再热器管材是发展超超临界电站的关键因素之一[]。Inconel740合金最初是由美国SpecialMetal公司提出的,采用的真空感应熔炼与真空电弧重熔的双联工艺。然而,此工艺过程繁琐、生产效率较低。同时,真空感应熔炼过程由于存在耐火材料与熔体的反应而增加氧化物夹杂含量,影响其纯净度[7]。另外,电弧重熔过程由于不能实现高真空度,存在不能去除硫和磷、夹杂物尺寸较大、铸锭的表面质量较差等问题。针对以上问题,近年来行业内普遍采用真空感应熔炼加保护气氛电渣重熔的双联工艺r8],一定程度上提高了合金的纯净度,但仍不能完全满足工业生产对高质量铸锭的需求。针对冶金质量以及微量杂质元素含量控制要求很高的高温合金而言,需要一种全新的熔炼方式,制备纯净度较高、冶金质量良好的镍基高温合金_g。电子束真空熔炼技术被广泛应用于纯金属提纯以及合金熔炼,其具有一系列优点:(1)可实现高真空熔炼;(2)电子束能量集中;(3)电子束的可控性好,可实现对熔炼位置的精确定位,从而保证熔池温度分布均匀,有利于得到表面质量和结晶组织优良的金属锭_】]。然而,利用电子束熔炼制备Inconel740合金的相关研究报道较少。—本工作利用电子束真空熔炼技术制备出了Inconel740合金,对合金组织进行了分析,并进一步研究了不同热处理状态下合金的组织演变与显微硬度的分布情况。1实验电子束熔炼Inconel740合金的工艺参数如表1所示。首先,根据合金元素的密度以及熔点关系放置原料,在3kw功率下预热5min,然后加至6kW进行圆形束斑扫描,使合金初步熔化,待合金元素全部熔化后,功率加至12kW,熔炼10min,然后缓慢降速冷却,此过程重复三次,所得Inconel740的合金铸锭成分如表2所示。表1lnconel740合金的工艺参数Table1ProcessingparametersofInconel740alloy℃实验所采用的标准热处理工艺:在1204下保温℃16h均匀化退火,在1150保温30min后水中淬火进℃行固溶处理,最后800下保温16h后空冷进行时效处理。利用线切割对每个热处理过程后的实验样品进行取样,并进行抛光和腐蚀处理。采用的金相腐蚀液为CuSO4(20g)+HC1(100mL)+H2SO4(5mL)+HO(80mL)。试样的析出相腐蚀采用电解腐蚀,腐蚀液选用H3PO(170mL)+浓H2SO(10mL)+CrOs(15g)溶液。样品做正极,铝板做负极,在5V电压下电解侵蚀约5s。利用MEF4A1光学显微镜观察金相组织;使用Supra55(VP)扫描电子显微镜观察晶界及晶内析出;利用TecnaiG20型透射电子显微镜观察二次相形貌以及进行电子衍射;利用能谱仪、XRD分析相组成;显微硬度测试在HV-1000A显微硬度计上进行,所用载荷为100g,加载时间为15s。2结果与讨论2.1宏观组织——本工作研究的是Ni为基、以NiCrCo为主要元素,同时以Al,Ti,Nb元素形成7相为主要强化方式的镍基高温合金,一般在进行固溶处理和短时时效处理后使用。图1为电子柬熔炼制备的Inconel740合金的宏观组织。由图1(a)可知,试样呈纽扣状,铸锭表面平整度较好,利用排水法测得合金锭的密度为8.03g/cma,与传统工艺下测得的密度一致,这表明利用电子束熔炼制备的Inconel740合金锭组织致密。图1(b)为合金锭截断面区域的宏观组织(显微硬度测试时所选取的区域)。可知,铸锭底部有一层极薄的细晶区,这是因为底部接近水冷坩埚部分冷却速率较快,存在极大的过冷;铸锭24材料工程2015年4月superalloysinthefieldsofenergyindustry[J].ActaMetallurgica—Sinica,2O10,46(5):513527.[2]郭建亭,周兰章,袁超,等.我国独创和独具特色的集中高温合—金的组织与性能EJ].中国有色金属学报,2011,21(2):237250.GUOJT,ZHOULZ,YUANC,eta1.Microstructureandprop-—ertiesofseveraloriginallyinventedanduniquesuperalloysinChina[J].TheChineseJournalofNonferrousMetals,2011,21(2):—237250.[3]SMITHGD.Introductionofanadvancedsuperheateralloyfor—coalfiredboilers[A].Corrosion2000[c].Houston:InternationalNACEPress,2000.1一l2.—[4]VIswANATHANR,COLEMANK,RAOU,Materialsforul——trasupercriticalcoalfiredpowerplantboilers[J].International—JournalofPressureVesselsandPiping,2006,83(Ii):778783.—[5]ZHAOSQ,XIEXS,SMITHDG,eta1.Researchandimprovementonstructurestabilityandcorrosionresistanceofnickel-basesuperalloyINCONELalloy740[J].Materials&Design,—2005,27(10):1l201l27.—[6]COWENJC,DANIELSONEP,JABLONSKIDP.Themicro—structuralevolutionofInconelalloy740duringsolutiontreat—ment,aging,andexposureat76022[J].JournalofMaterialsEngi—neerlngandPerformance,2011,20(6):10781063.—[7]ZHANGZH,FRENZELJ,NEUKINGK,eta1.Onthereac—tionbetweenNiTimeltsandcruciblegraphiteduringvacuumin—duetionmeltingofNiTishapememoryalloys[J').ActaMateria—lia,2005,53(14):39713985.[8]李清华,赵志力.真空冶金现状及发展前景[J].沈阳大学学报,—2003,15(2):3542.LIQH,ZHA0ZL.Thepresentsituationandtheprospectofvaccummetallurgy[J].JournalofShenyangUniversity,2003,15—(2):3542.[9]王晓峰,周晓明,穆松林,等.高温合金熔炼工艺讨论[J].材料—导报A,2012,26(4):135134.WANGXF,ZHoUXM,MUSL,eta1.Discussiononmelting—proce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清华君
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