超超臨界發電機組螺栓用鎳基高溫合金混晶組織均勻細化工藝

陳明松，秦剛華，藺永誠，牟文彪，馬艷永，杜晉峰，樓玉民，趙寧寧

材料與成形性能

超超臨界發電機組螺栓用鎳基高溫合金混晶組織均勻細化工藝

陳明松1，秦剛華2，藺永誠1，牟文彪3，馬艷永1，杜晉峰4，樓玉民2，趙寧寧2

（1．中南大學 機電工程學院，長沙 410083；2．浙江浙能技術研究院有限公司，杭州 310026；3．浙江省能源集團有限公司，杭州 310007；4．國能國華（北京）電力研究院有限公司，北京 100018）

消除典型鎳基合金鍛件中存在的嚴重混晶組織，從而提高鍛件的力學性能。提出“低溫相時效+高溫連續降溫退火”雙級熱處理工藝，研究該熱處理工藝對混晶組織演變及高溫性能的影響，揭示鍛造混晶組織的均勻細化機制。利用該工藝可以在提升再結晶形核速率的同時降低再結晶晶粒的生長速率，從而獲得平均晶粒尺寸為5.82 μm的均勻細小的晶粒組織（達到ASTM12級），并可保證合理的相殘余含量。同時，晶粒組織的均勻細化使得合金的強度以及塑性等力學性能均較傳統DA工藝得到較大的提升，其中650 ℃屈服強度較DA工藝提升了13.4%。連續降溫再結晶熱處理工藝可以有效改善鎳基高溫合金鍛件中的混晶狀態，并顯著提升合金的強度和塑性。

鎳基合金；連續降溫再結晶；均勻細化機制；力學性能

鎳基高溫合金在高溫環境下具有較高的強度和塑性、良好的抗疲勞、抗氧化性能以及組織的長期穩定性，因此被廣泛用于航空航天、能源電力等領域熱端動力零件的制造，如火力發電廠超超臨界機組高溫緊固件等[1—3]。

近年來，國內眾多超超臨界發電機組陸續出現了大量鎳基高溫合金螺栓緊固件早期斷裂的情況，重要原因是存在嚴重混晶情況，晶界有大量析出相等制造質量問題，嚴重威脅機組安全運行。目前，鎳基高溫合金關鍵件主要通過鍛造加工成形[4—5]。然而在普通模鍛過程中，存在不可避免的應變分布不均勻問題，導致嚴重混晶[6]。針對這一問題，我國成功開發出了DA工藝，在鍛造過程中利用預析出的相來促進再結晶形核與抑制晶粒長大，從而將晶粒組織細化至10級（ASTM標準，下同）[7—10]。然而，其鍛造工藝參數窗口窄，且需采用具有均勻細晶組織的鍛坯進行模鍛（通常要求鍛坯晶粒度至少達到6—7級，最好是8級以上），這無疑增加了工藝復雜度與成本[11—12]。

為了低成本，高效率地細化普通模鍛件的混晶組織，筆者團隊[13—15]提出了在恒溫熱處理過程中利用相影響的亞動態再結晶（MDRX）和靜態再結晶（SRX）來細化晶粒的新思路。結果表明，通過“900 ℃×（9-12 h）+980 ℃×60 min”的雙級恒溫退火處理可獲得平均晶粒尺寸為10.94 μm的均勻細小晶粒組織（達到10級）[16]。然而，該工藝難以進一步提高晶粒度。這是由于細化晶粒組織的關鍵是提高再結晶形核速率，同時降低晶粒長大速率；但形核速率的提高需要溫度的提升，而晶粒長大速率的降低需要溫度的降低，因此二者存在不可避免的矛盾。

針對上述問題，文中提出一種新的熱處理工藝：“低溫相時效+高溫連續降溫退火”工藝，通過將過去采用恒溫退火改成高溫連續降溫退火，以在提升再結晶形核速率的同時降低晶粒長大速率。為了驗證該工藝的有效性，先完成熱處理實驗，然后分析晶粒組織的演變機制，最后研究該工藝對合金性能的影響。

1 高溫連續降溫退火對鍛件混晶組織的影響

1.1 實驗方案

選用的材料為國產商用某典型鎳基高溫合金，其化學成分（質量分數，%）為52.82Ni-18.96Cr-5.23Nb- 3.01Mo-1.00Ti-0.59Al-0.01Co-0.03C-（余量）Fe。

主要的技術路線為：固溶→時效處理→鍛造變形→低溫相時效處理→高溫連續降溫再結晶熱處理。

1.2 高溫連續降溫退火前的組織狀態

1.2.1 典型的鍛造混晶組織

變形后鎳基高溫合金的晶粒組織如圖1a所示。可以看出組織狀態為“項鏈”狀混晶結構，眾多細小晶粒聚集在細長狀大晶粒周圍，并且大晶粒內仍存在大量亞晶，這表明組織的再結晶程度很低。此外，變形后鎳基高溫合金中相的形貌和分布如圖1b所示。可以發現，組織中的相以短棒狀和球狀為主，其體積分數僅為5.86%。

圖1 變形后鎳基高溫合金的微觀組織

1.2.2 低溫相時效后的組織

根據眾多學者的研究，相的時效析出峰值為900 ℃，且在12 h后達到飽和[10,17—18]，因此將變形后的合金在900 ℃下進行12 h的時效處理。時效后的組織如圖2a所示。可以發現，時效過程中再結晶只能緩慢發生，組織仍為嚴重的混晶狀態；但如圖2b所示，大量針狀相在晶內及晶界上析出，其體積分數達到了19.42%。

1.2.3 高溫連續降溫熱處理對微觀組織的影響

高溫連續降溫熱處理后鎳基高溫合金的晶粒組織如圖3a所示。可以發現，再結晶已經基本完成，且晶粒組織均勻細小，平均晶粒尺寸僅為5.82 μm（達到12級），這表明連續降溫熱處理可有效地均勻細化混晶組織，其細化機制見第2節。同時，從圖3b可看出，熱處理后大部分相已經溶解為顆粒狀或短棒狀，體積分數為4.09%。

圖2 時效處理后鎳基高溫合金的微觀組織

圖3 連續降溫熱處理后鎳基高溫合金的微觀組織

2 混晶組織的均勻細化機制分析

鎳基高溫合金的混晶組織在高溫連續降溫熱處理過程中的均勻細化過程如圖4所示。其中，紅色、綠色、黃色區域分別代表變形過程中形成的動態再結晶晶粒（DRX晶粒）、低溫相時效過程中形成的靜態再結晶晶粒（SRX-1晶粒）以及高溫連續降溫退火過程中形成的靜態再結晶晶粒（SRX-2晶粒）；而藍色的長針狀代表相。

從圖4可以看出，在降溫熱處理的初期階段，組織中的再結晶行為主要以DRX晶粒的生長和SRX-2晶粒的形核為主。這是由于在降溫初期，大量相仍保留在組織中，限制了原有再結晶晶粒（包括DRX和SRX-1晶粒）的過快生長，這有助于提升晶粒組織的均勻性。同時，相保護可能的形核位置不會被原有再結晶晶粒以及長大的先形核晶粒吞并，因此在較高熱能（較高的溫度）驅動下，大量再結晶核快速形成，尤其是在相相界上，這有助于晶粒組織的細化。

圖4 混晶組織的均勻細化過程示意

在高溫連續降溫熱處理的后期階段，組織中的再結晶行為是以SRX-2晶粒的生長為主。這是由于在后續熱處理中，DRX與SRX-1晶粒被眾多的SRX-2晶粒包圍，之間微小的位錯密度差導致它們的生長被限制。同時，隨著熱處理溫度不斷降低，SRX-2晶粒在低熱能和殘余相的協同作用下只能緩慢長大，這有助于晶粒組織的細化。

總之，在高溫連續降溫退火過程中，較高的起始溫度提升了再結晶形核速率，而降溫初期大量的相以及不斷降低的溫度值降低了晶粒的生長速率，使得相的溶解行為、再結晶晶粒的形核以及長大行為可以很好地協同，最終將晶粒組織細化至12級。

3 熱處理后的力學性能分析

3.1 實驗方案

為了測試鎳基高溫合金力學性能，在650 ℃的高溫環境下進行了單軸拉伸實驗，拉伸試樣如圖5所示。值得注意的是，拉伸實驗前需對試樣進行“標準雙時效”處理以析出″相和′相來強化合金，具體的時效工藝為：（720±5）℃×8 h/爐冷（50 ℃/h）+（620± 5）℃×8 h/空冷[1—2]。

圖5 拉伸試樣的尺寸

3.2 高溫強度和塑性

圖6對比了DA工藝、變形以及連續降溫熱處理工藝對鎳基高溫合金性能的影響。從圖6a可發現，經過連續降溫熱處理后，合金的屈服強度較DA工藝有了明顯提高（提升13.4%）。同時，從圖6b可以發現，與DA工藝，合金的塑性也有了一定程度的改善。這主要歸因于晶粒組織的均勻細化對位錯遷移阻礙作用的強化[19—23]。

粗晶粒的細化增加了晶界的總面積，從而加強了對位錯滑移的阻礙作用，使塑性變形局限于小范圍內。同時，晶粒細化也使得滑移帶的長度變短，塑性變形可分散在更多的晶粒內，緩解了變形過程中的應力集中現象，這引起了強度的提高。值得注意的是，過于粗大晶粒的細化也將顯著提高組織均勻性，組織均勻性的提高將使變形可在眾多晶粒內部同步進行，多個晶粒之間變形相互協調配合，這有利于合金塑性性能的提高。

此外，顆粒狀相對于合金的強化也有重要作用。由于相與基體呈非共格關系，位錯通過時需要較大的臨界剪切力，因此，當相在組織中以顆粒狀或者短棒狀均勻分布在晶界或者晶內時，其對位錯有較強的釘扎作用，這也有利于合金強度的提高。

圖6 不同工藝對合金高溫（650 ℃）力學性能的影響

綜上所述，連續降溫熱處理能夠有效改善合金的力學性能。

3.3 合金的斷裂機制

圖7為鎳基高溫合金在單軸高溫拉伸下的斷口形貌。可以看出，拉伸斷口處均存在許多的撕裂棱，并分布有一定數量的韌窩與孔洞。這表明所研究合金的斷裂機制為微孔聚集型的剪切斷裂，最終宏觀表現為韌性斷裂。

由圖7還可以發現，一些斷裂的相存在于韌窩與孔洞之中，這表明鎳基高溫合金在高溫變形過程中的孔洞主要形核于相周圍。這是由于相與基體并不共格，其會阻礙位錯的滑移，導致位錯堆積在相周圍，造成了應力集中，這使得相斷裂而產生微孔。同時，相為脆硬相，其強度較基體的強度高，因此基體與相界面分離也會形成微小孔洞。在塑性變形過程中，這些微孔不斷聚集長大形成韌窩，再互相連接形成孔洞。

圖7 鎳基高溫合金高溫拉伸的斷口形貌

4 結論

為了均勻細化鎳基高溫合金鍛件中的混晶組織，設計并完成了雙級退火處理工藝，包括低溫相時效處理和隨后的高溫連續降溫退火處理，獲得的重要結論如下。

1）連續降溫再結晶熱處理工藝可以有效改善鎳基高溫合金鍛件中的混晶狀態，將晶粒組織細化至12級（平均晶粒尺寸為5.82 μm），并保證合理的相殘余含量。

2）在連續降溫熱處理過程中，較高的起始溫度可以有效提高形核速率，同時在連續降低的溫度和組織中相的協同作用下晶粒生長速率降低，從而達到均勻細化混晶組織的目的。

3）連續降溫熱處理工藝能夠有效改善合金的強度和塑性，效果超過了DA工藝，其中高溫屈服強度較DA工藝提升了13.4%。

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Process for Refinement of Mixed Grain Microstructure of Deformed Ni-Based Superalloy for Bolts of Ultra Supercritical Generator Sets

CHEN Ming-song1, QIN Gang-hua2, LIN Yong-cheng1, MOU Wen-biao3, MA Yan-yong1, DU Jin-feng4,LOU Yu-min2, ZHAO Ning-ning2

(1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China; 2. Zhejiang Zheneng Technology Research Institute Co., Ltd., Hangzhou 310026, China; 3. Zhejiang Provincial Energy Group Company Ltd, Hangzhou 310007, China; 4. Csec Guohua Electric Power Research Institute Co., Ltd., (Beijing), Beijing 100018, China)

Eliminating the deformed mixed and coarse grains in a Ni-based superalloy is necessary to improve the mechanical properties. A two-stage annealing treatment including an aging treatment and a subsequent continuous-cooling annealing treatment was proposed. The effects of the proposed two-stage annealing treatment on the microstructures and high-temperature mechanical properties were investigated. Also, the grain refinement mechanism was discussed. The results show that the annealing treatment can increase the recrystallization nucleation rate, but reduce the growth rate of recrystallized grains. Thereby, a fine and uniform grain structure with the average grain size of 5.82μm (ASTM12) was obtained. Moreover, the yield strength is increased by 13.4% compared with that of the sample treated by the traditional DA processing. Thus, the proposed two-stage annealing treatment can not only effectively refine deformed grains, but also improve mechanical properties of the hot deformed Ni-based alloy.

Ni-based superalloy; continuous-cooling recrystallization annealing treatment; grain refinement mechanism; mechanical properties

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.03.015

TG146

A

1674-6457(2021)03-0125-06

2021-04-29

國家自然科學基金（51775564，51975593）；湖南省科技人才托舉工程（2020TJ-Q05）

陳明松（1982—），男，博士，教授，博士生導師，主要研究方向為高品質金屬零件的智能熱制造技術及裝備研發。

藺永誠（1976—），男，博士，教授，博士生導師，主要研究方向為高品質金屬零件的智能熱制造技術及裝備研發。