發(fā)布時(shí)間：2021-03-18所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:利用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡和電子能譜儀研究了700℃超超臨界發(fā)電機(jī)組缸體用GH3625鎳基合金真空感應(yīng)熔煉電極錠的鑄態(tài)組織及均勻化處理工藝，得出GH3625真空感應(yīng)熔煉電極錠的均勻化熱處理工藝應(yīng)為1200～1220℃保溫32h。 關(guān)鍵詞:GH3625鎳基合金;鑄態(tài)組織;均
摘要:利用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡和電子能譜儀研究了700℃超超臨界發(fā)電機(jī)組缸體用GH3625鎳基合金真空感應(yīng)熔煉電極錠的鑄態(tài)組織及均勻化處理工藝，得出GH3625真空感應(yīng)熔煉電極錠的均勻化熱處理工藝應(yīng)為1200～1220℃保溫32h。
關(guān)鍵詞:GH3625鎳基合金;鑄態(tài)組織;均勻化處理工藝
燃煤發(fā)電是我國(guó)電力資源的重要組成部分，我國(guó)大約60%的電力都來(lái)自于火力發(fā)電。煤炭是一種不可再生資源，且火力發(fā)電對(duì)環(huán)境的污染也比較嚴(yán)重。當(dāng)前隨著能源危機(jī)的日益嚴(yán)重和環(huán)保意識(shí)的不斷加強(qiáng)，迫切需要發(fā)展一種高效的、清潔的火力發(fā)電機(jī)組。歐洲、日本、美國(guó)在20世紀(jì)90年代末相繼提出了先進(jìn)超超臨界火電機(jī)組研發(fā)計(jì)劃，并且將蒸汽參數(shù)提高到了700℃35MPa[1-2]。這些國(guó)家和地區(qū)都將鑄造GH3625高溫合金作為超超臨界火電機(jī)組缸體、閥體的候選材料進(jìn)行研發(fā)，并且已經(jīng)進(jìn)行了比例件試制。國(guó)內(nèi)在超超臨界火電機(jī)組大型鑄件用鎳基合金方面基礎(chǔ)薄弱、研究較少，本文利用真空感應(yīng)熔煉得到的GH3625鎳基合金的電極錠，開(kāi)展了鑄態(tài)組織和均勻化工藝研究，從而為大型化鎳基合金鑄件研制提供數(shù)據(jù)積累。
相關(guān)期刊推薦：《大型鑄鍛件》(雙月刊)創(chuàng)刊于1979年，由中國(guó)重型機(jī)械大型鑄鍛件行業(yè)協(xié)會(huì)、中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)公司大型特鍛件研究所主辦。主要報(bào)道的專業(yè)范圍包括煉鋼、鍛壓、熱處理、金屬材料與熱處理、焊接、機(jī)加、測(cè)試技術(shù)、管理等，報(bào)道的重點(diǎn)是電站、冶金、礦山、石化、交通、航空航天等專業(yè)設(shè)備的鑄鍛件產(chǎn)品的研制。
1試驗(yàn)材料及方法
本試驗(yàn)研究的GH3625鎳基合金試樣取自于利用真空感應(yīng)熔煉工藝得到的150kg電極錠，其長(zhǎng)度為1200mm，直徑為145mm，電極錠冒口端的化學(xué)成分見(jiàn)表1。先從電極錠冒口端切下60mm厚的盤(pán)片，然后再切取15mm厚的盤(pán)片，從該盤(pán)片上半徑以內(nèi)的位置切取若干15mm×15mm的塊狀試樣進(jìn)行鑄態(tài)組織分析和均勻化工藝研究。機(jī)械打磨拋光后，用10%的磷酸水溶液電解侵蝕(電壓為30V)，利用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡觀察組織形貌，每個(gè)試樣采集5張照片，每張照片選取3個(gè)位置進(jìn)行枝晶間距的測(cè)量，最后取平均值，利用能譜儀(EDS)分別在枝晶間和枝晶干處取點(diǎn)測(cè)量元素含量，每個(gè)試樣取兩個(gè)視野，每個(gè)視野中測(cè)10點(diǎn)取平均值，并測(cè)定了析出相。在高溫?zé)崽幚頎t內(nèi)對(duì)鑄態(tài)試樣進(jìn)行均勻化熱處理，均勻化熱處理采用正交試驗(yàn)法，溫度分別為1140℃、1160℃、1180℃、1200℃、1220℃，保溫時(shí)間分別為2h、4h、8h、16h、32h，出爐后水冷，隨后打磨拋光、電解腐蝕后進(jìn)行金相觀察，以便分析不同區(qū)域和析出相的成分。
2結(jié)果與討論
2.1鑄態(tài)組織
圖1為試驗(yàn)合金的鑄態(tài)組織。從金相顯微鏡和掃描電鏡下都觀察到了非常明顯的樹(shù)枝晶，照片中淺色區(qū)域?yàn)橹чg，深色區(qū)域?yàn)橹Ц桑髦Ц缮祥L(zhǎng)出了大量的二次枝晶臂，發(fā)達(dá)的枝晶組織說(shuō)明合金在冷卻凝固時(shí)發(fā)生了成分偏析。利用能譜儀測(cè)量了枝晶間和枝晶干的成分，并計(jì)算了不同元素在枝晶間和枝晶干的比值，即偏析系數(shù)，然后通過(guò)多組數(shù)據(jù)求出平均偏析系數(shù)K，見(jiàn)表2，Nb、Mo、Ti的偏析系數(shù)依次為2.01、1.26、1.33，表現(xiàn)為明顯的正偏析，均偏析于枝晶間，偏析程度Nb>Ti>Mo。由于Nb元素熔點(diǎn)高、密度大，在合金中具有最高的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，因此偏析程度相對(duì)最大。圖2為析出相形貌及EDS分析結(jié)果，合金鑄態(tài)組織中只有沿晶界析出的塊狀碳化物，未觀察到其它晶內(nèi)析出相。參照GH3625合金凝固時(shí)析出相的熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果，結(jié)合EDS結(jié)果可知，該析出相主要是NbC，分布于晶界上。CNb比值決定了GH3625合金的結(jié)晶方式和組織結(jié)構(gòu)。CNb比值較高時(shí)，凝固組織為γ基體和NbC;CNb比值適中時(shí)，先形成γ基體和NbC隨后又析出laves相;CNb比值較低時(shí)，只形成γ基體和laves相。另外，結(jié)晶方式還與化學(xué)成分和結(jié)晶速率有關(guān)，Si元素含量高，可以偏析于枝晶間，促進(jìn)laves相的形成[3]。本試驗(yàn)所用GH3625合金中CNb比值及較低的Si含量都導(dǎo)致其凝固過(guò)程中只形成γ基體和NbC。
2.2均勻化處理工藝研究
合金在冷卻凝固過(guò)程中的溶質(zhì)再分配是產(chǎn)生偏析的根本原因，而均勻化熱處理的目的是為了盡可能的減少元素偏析，使其從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴(kuò)散，最后達(dá)到均勻、一致的狀態(tài)。
眾所周知，在均勻化處理中，溫度是最主要的影響因素。擴(kuò)散系數(shù)隨溫度的升高而增大，而殘余偏析指數(shù)又隨擴(kuò)散系數(shù)增大而減小，所以提高均勻化溫度可以有效地提高元素在基體中的擴(kuò)散速度，從而加速均勻化。但溫度并不是越高越好，一方面會(huì)造成能源的浪費(fèi)，另一方面過(guò)高的溫度可能會(huì)導(dǎo)致晶界發(fā)生初熔，因此均勻化溫度必須選擇在初熔溫度以下。均勻化過(guò)程中，另一個(gè)影響元素?cái)U(kuò)散的參數(shù)是保溫時(shí)間。在相同的溫度下，殘余偏析指數(shù)隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸趨于0[5]。理想情況下，經(jīng)合適的均勻化處理后，殘余偏析指數(shù)會(huì)變?yōu)?，即合金中的所有元素都處于完全均勻分布的狀態(tài)，區(qū)域之間沒(méi)有濃度差異，但實(shí)際上這種情況幾乎不存在。工業(yè)上給出的依據(jù)是δ降至0.2時(shí)就算擴(kuò)散均勻[6]，并且過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的保溫也會(huì)增加生產(chǎn)成本。
經(jīng)不同均勻化熱處理后的顯微組織見(jiàn)圖3，光學(xué)顯微鏡下的顯微組織見(jiàn)圖4。對(duì)比經(jīng)不同均勻化工藝處理后的枝晶形貌可以看出:相同溫度下隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，枝晶不斷消除，偏析明顯減輕;在8h、16h、32h的保溫時(shí)間下，隨著溫度的升高，枝晶也不斷消除，偏析明顯減輕。相同溫度下隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，枝晶形貌逐漸變得模糊，枝晶得到了明顯的消除;在16h、32h的保溫時(shí)間下，隨著溫度的升高，枝晶也不斷消除，偏析明顯減輕。從圖5元素殘余偏析指數(shù)來(lái)看，隨著溫度的升高和時(shí)間的延長(zhǎng)，易偏析元素Nb、Mo、Ti的殘余偏析指數(shù)都逐漸減小，即這些元素在枝晶間和枝晶干的分布越來(lái)越均勻，尤其是在較長(zhǎng)的保溫時(shí)間下，例如32h后，隨著溫度升高至1220℃，這三種元素殘余偏析指數(shù)明顯趨于0.2或以下。同一溫度下，隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，殘余偏析指數(shù)是逐漸減小的，剛開(kāi)始隨時(shí)間的延長(zhǎng)而急劇減小;一定長(zhǎng)的時(shí)間后，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，減小的趨勢(shì)逐漸變慢。這是因?yàn)榫鶆蚧跗诒容^接近于原始鑄態(tài)組織，元素偏析比較嚴(yán)重，濃度梯度較大，擴(kuò)散動(dòng)力大，擴(kuò)散相對(duì)比較容易，偏析消除得也比較快，而到了均勻化后期，濃度梯度逐漸變小，擴(kuò)散動(dòng)力減小，原子擴(kuò)散變得越來(lái)越慢，偏析減小的趨勢(shì)也越來(lái)越慢。從枝晶形貌、殘余偏析指數(shù)變化情況來(lái)看，1200～1220℃保溫32h的均勻化處理工藝為最佳，而對(duì)于大錠型或是大尺寸試制件，需要在該保溫時(shí)間的基礎(chǔ)上加上熱透所需的時(shí)間。
3結(jié)論
(1)GH3625真空感應(yīng)熔煉電極錠的鑄態(tài)組織中存在明顯的偏析，其中Mo、Nb、Ti元素在枝晶間為正偏析，偏析程度為Nb>Ti>Mo，較高的CNb比值及較低的Si含量都導(dǎo)致其凝固過(guò)程中主要析出相是塊狀NbC，其均勻地分布于枝晶間。
(2)均勻化熱處理后，通過(guò)枝晶形貌、殘余偏析指數(shù)的變化來(lái)看，1200～1220℃保溫32h可以作為GH3625小錠型合金的均勻化處理工藝，而對(duì)于大錠型或是大尺寸試制件，需要在該保溫時(shí)間的基礎(chǔ)上加上熱透所需的時(shí)間。——論文作者：寇金鳳聶義宏白亞冠朱琳
