固溶處理對825鎳基合金管組織和力學性能的影響

通過MTS萬能拉伸機、顯微硬度計、金相及掃描電鏡等手段研究了固溶處理對825鎳基合金管組織和力學性能的影響。研究表明：變形量為33.4%的825鎳基合金管的開始再結晶溫度為850-900℃；隨著固溶溫度的升高，布氏硬度、室溫抗拉强度和屈服强度逐漸降低，伸長率逐漸升高；晶粒逐漸長大，晶粒長大過程符合Arrhenius公式，晶粒長大啟動能為147.05kJ/mol。

1. 前言

825鎳基合金是一種添加了鋁、銅和鈦的鐮–鐵–銘鎳基合金。它是為在還原性和氧化性兩種介質中使用而開發的。具有良好的抗氧化效能、耐蝕效能，優良的冷加工效能及低溫機械效能。合金可以通過冷加工進行强化，成形性能良好，易於焊接。在淡水和流動海水中具有良好的抗蝕性，對各種廢氣、鹼性溶液和大多數有機酸及其化合物的腐蝕性能良好。有優良的抗氯離子應力腐蝕開裂的能力。825合金以管材的形式廣泛地用於化學工業、油氣開採業、製造大中型熱交換器及冷凝器等。由此可見合金的管材加工成形是其生產和應用中的一個重要環節。

本文通過改變固溶處理溫度研究了825鎳基合金管的晶粒尺寸和力學性能變化規律，以期獲得適宜的晶粒度，並滿足力學性能的要求。實驗結果將對該合金管的工業化生產提供理論指導。

2. 實驗資料和方法

2.1 實驗資料

實驗資料為鍛坯通過熱擠壓管道在1180-1220°C擠壓成Φ245mm x 25mm冷軋荒管，後冷軋成Φ219mm x 18mm的成品管，冷軋變形量為33.4%。實驗資料的化學成分見錶1。

錶.1 825鎳基合金實驗資料的化學成分

C	Si	Mn	S	Ni	Cr	Mo	Cu	Fe	Al	Ti
0.014	0. 069	0.71	0. 0009	39. 13	21.22	2. 79	2. 22	32. 99	0. 069	0.7

2.2 實驗方法

實驗在高純氮氣保護氣氛中進行不同溫度(850°C、900°C、950°C、1000°C、1050°C、1100°C、1150°C、1200°C)的固溶處理，固溶時間均為30min，水淬。

利用2g KMnO₄ + 90m LH₂0 + 10mL H₂SO₄混合液在微沸狀態下浸蝕組織，用蔡司AXIO Imager A2m光學顯微鏡和蔡司EVO18掃描電鏡(SEM)進行觀察和分析合金的顯微組織；按照GB/T6394-2002《金屬平均晶粒度測定法》網格直線截點法統計平均晶粒度；利用布氏硬度計檢測試樣的布氏硬度；在MTS萬能試驗機上量測合金室溫力學性能。

3. 實驗結果和討論

3.1 固溶溫度對晶粒度的影響

晶粒尺寸對高溫合金材料的强度、塑性及韌性有明顯的影響，而晶粒尺寸主要與固溶處理參數有關。囙此控制825鎳基合金管的固溶溫度對晶粒大小的影響很大。

圖1為825鎳基合金管冷軋後的組織形貌，可以看出冷軋後的晶粒呈壓扁狀且有一定的方向性。晶粒度為4.5級。

圖.1 825鎳基合金管冷變形後的組織形貌

825鎳基合金管在不同溫度下經30min固溶處理後的金相組織見圖2。從圖2(a)和圖1可以看出，在固溶溫度為850°C時，晶粒尺寸並未發生大的變化，說明在850°C時只進行了回復過程，再結晶還未開始；在900°C固溶時，在晶界處地方已出現大量細小晶粒，說明在850-900°C發生了開始再結晶。在1000°C左右再結晶完成，1000°C以後隨著固溶溫度的新增，晶粒逐漸長大。

圖.2 固溶處理後825鎳基合金管組織形貌，固溶溫度

固溶溫度對825鎳基合金管平均晶粒尺寸的影響如圖3所示。

圖.3 固溶溫度對825鎳基合金管平均晶粒尺寸的影響

晶粒長大的主要驅動力是介面自由能的降低，在介面自由能的驅動下，介面發生遷移，晶界遷移引起晶粒之間的相互消失和合併，從而使晶粒長大。由於介面遷移是通過原子克服一定比特壘跳遷來完成，可視為熱啟動過程，所以溫度對晶界遷移速度影響顯著。在一定保溫時間內，晶粒長大過程符合Arrhenius公式，即：

D²-D²₀=Aexp[-Q/RT] (1)

公式中：

• D為固溶溫度下的平均晶粒尺寸(μm)；
• D₀為奧氏體原始晶粒尺寸(μm)；
• A為指前因數；
• Q為晶粒長大啟動能(kJ/mol-1)；
• R為氣體常數；
• T為固溶溫度(K)。

考慮到D2>>D₀₂，將固溶溫度轉換為T^-1的形式，在(1)式兩端取In值後作圖，並對所得結果進行線性擬合處理，結果如圖4所示。由此可見固溶溫度與均勻尺寸之間的關係近似呈現反比例函數。並可求得晶粒長大啟動能為147.05kJ/mol。

圖.4 固溶溫度與825鎳基合金管晶粒尺寸的函數關係

3.2 固溶溫度對顯微組織的影響

固溶處理的目的是為了溶解基體內的碳化物以得到均勻的單相奧氏體組織，同時消除由於熱、冷加工產生的應力，使合金發生再結晶。其次固溶處理是為了獲得適宜的晶粒度，滿足力學性能的要求。囙此對825鎳基合金管固溶處理的目的之一就是碳化物的溶解。

圖5為固溶處理後825鎳基合金管的組織和析出物，可以看出，825鎳基合金管的析出物主要有兩種，富鉻碳化物和鈦的碳氮化物。隨著固溶溫度的升高，碳的固溶度增大，同時合金元素擴散速度加快，碳化物逐漸溶入基體中。

圖.5 固溶後的825鎳基合金管組織和析出物: (a)1050°C；(b)900°C；(c)950°C；(d)1000°C

3.3 固溶溫度對硬度的影響

從圖6可以看出隨著固溶溫度的升高，布氏硬度呈下降趨勢。當固溶溫度較低時，晶界上存在未溶解的富鉻碳化物，存在第二相粒子强化；但隨著溫度的升高，資料中的富鉻碳化物等析岀相逐漸溶入到奧氏體基體中，彌散强化作用减弱。隨著固溶溫度的升高，晶粒長大，晶界强化作用减弱，硬度值下降。

圖.6 固溶處理後825鎳基合金管布氏硬度變化趨勢

3.4 固溶溫度對力學性能的影響

由圖7固溶溫度對825鎳基合金管室溫力學性能的影響可知，隨著固溶溫度的升高，825合金管的室溫抗拉强度和屈服强度逐漸降低，伸長率逐漸升高。由位錯塞積模型Hall-Petch關係式：

σ_y=σ₀+k_yd^-1/2 (2)

公式中:

• σ_y為資料的屈服極限，是資料發生0.2%變形時的屈服應力σ_o.2；
• σ₀為移動單個位錯時產生的晶格摩擦阻力；
• k_y為常數與資料的種類性質以及晶粒尺寸有關；
• d為平均晶粒直徑。

可知，隨著固溶溫度的升高，晶粒平均尺寸d逐漸長大，導致σ_y的逐漸降低。825合金管再結晶後的晶粒尺寸與室溫强度之間較好的符合了Hall-Petch關係式。

圖.7 固溶溫度對825銀基合金管室溫力學性能的影響

4. 結論

• (1) 冷變形量為33.4%的825鎳基合金管的開始再結晶溫度在850-900°C左右。
• (2) 固溶溫度對晶粒尺寸影響較大，隨著固溶溫度的升高，晶粒逐漸長大，晶粒度由再結晶後的7級變為2.5級，晶粒長大過程符合Arrhenius公式，晶粒長大啟動能為147.05kJ/mol。
• (3) 隨著固溶溫度的升高，布氏硬度逐漸降低，合金管的室溫抗拉强度和屈服强度逐漸降低，伸長率逐漸升高。

作者：高玉光，劉靖