长期时效处理对K325合金组织与性能的影响

周捷 邓爱民

摘要：以镍基铸造高温合金K325为研究材料，研究K325合金在750℃条件下长期时效后组织与力学性能变化。随着时效时间的延长，合金中的γ″相逐渐减少，δ相逐渐增多;γ″相的生长过程由于其向δ相发生转变含量降低，不满足LSW理论。长期时效后经700℃高温拉伸后，K325合金的屈服强度、抗拉强度呈现先升后降的趋势。可以看出，时效时间达到10000h时，合金的屈服强度与抗拉强度达到最大值。

关键词：镍基高温合金，长期时效，相变，力学性能

中文分类号：TB35

1引言

电力是现代社会的重要能源，我国火力发电占到总发电量的70%。随着火力发电总量随经济的发展而增长，对环境与资源带来了巨大的压力[1]。因此为了应对环境与能源问题，实现节能减排，提高火电厂燃煤发电的效率，减少煤耗，对节约能源、降低环境污染具有重要意义[2-4]。为此，世界主要国家纷纷开展700℃超超临界燃煤发电技術研究。在火电机组中，汽缸与阀壳是汽轮机的重要高温承压部件，具有尺寸大，几何形状复杂的特点，通常采用铸造的方法[3]。目前国内大型高温合金铸件制造技术领域经验甚少，国外相关研究进行较多，但技术同样不成熟，且铸件关键性能尚未公布，K325合金是金属研究所在In625合金基础上研发的一种固溶强化型镍基铸造高温合金[5]，具有高强度，优异的抗氧化腐蚀性能，良好的加工性能与铸造性能。通过研究K325合金在750℃长期时效行为，分析了合金在长期时效后合金组织转变与力学性能的变化，为合金的工程应用提供实验基础与理论依据。

2实验材料与方法

本次试验所用K325合金化学元素含量如表1所示。合金采用真空熔炼的方法，熔炼浇铸后，对合金进行标准热处理（1200℃/1h，水冷）进行750℃长期时效处理，分别在时效不同时间后取出试棒，线切割后进行磨抛后腐蚀观察微观组织形貌。并将样品加工成标准拉伸试样进行700℃拉伸实验。

3结果与讨论

3. 1 SEM形貌组织

图1为K325合金经过750℃时效1000h、5000h、10000h和20000h后的SEM形貌。由图1（a）可以看出：合金时效1000h中存在大量圆饼状的γ″相，其分布在枝晶间与枝晶干极不均匀，在枝晶间γ″相分布较多，且尺寸较小，合金中零散的分布有针状或者片状δ相，此时δ相尺寸较为细小。图1（b）为合金时效5000h后的样品表面形貌，可以看出，合金基体内γ″相发生长大，且数量大大减少，合金中δ相含量大大增加，此时的δ相粗化程度也有所提高。图1（c）为合金时效10000h后的组织形貌，可以看到γ″相含量继续降低，且γ″相的尺寸大小大大降低。图1（d）为合金时效20000h后的组织形貌，可以看到此时基体内无法观察到γ″相，已经全部转变为δ相。

由合金在750℃下时效不同时间后γ″相的平均尺寸与平均尺寸变化做图，根据经典LSW理论，其规律如图2所示。可以看出γ″相尺寸变化与时效时间之间不具有线性关系，这是由于γ″相是亚稳相，热稳定性较差，在较高温度时效时会转变为稳定相δ相，大大减少合金中γ″相的含量。

3.2力学性能

如图3为在700℃下测定的K325合金的力学性能，分别为抗拉强度（TS）和屈服强度（YS）。由图2可知，随着时效时间从1000h延长至20000h，合金的抗拉强度、屈服强度分别呈现出先升后降的变化趋势，在时效时间低于10000h时，合金的抗拉强度、屈服强度随着时效时间的延长而逐渐增大， 10000h时屈服强度为628MPa，抗拉强度为777 MPa，时效时间延长至10000h后，合金的屈服强度、抗拉强度达逐渐下降，这是由于γ″相大量减少而硬脆相的针状δ相大量出现，易生成裂纹而发生断裂。

4结论

（1）K325在750℃长期时效过程中，随着时效时间的延长，先析出γ″相后析出δ相，且γ″相的含量随着δ相的析出而减少，最终完全消失。

（3）K325合金中的强化相主要为γ″相，γ″相的析出能够提升合金的强度，且合金强度也受到γ″相的尺寸大小的影响，γ″相尺寸越大，对合金强度提升效果越低。δ相对合金强度提升有限。

参考文献

[1] British Petroleum.2018年BP世界能源统计年鉴[Z].北京： British Petroleum.2018.

[2] 周兰章.700℃超超临界机组耐热材料的研制现状及选材思考[C]//国家700°C计划耐热材料第一次专题研讨会论文集.北京：国家700℃超超临界燃煤发电技术创新联盟秘书处编印， 2011：13

[3] Wang C S， Guo Y A， Guo J T， et al. Investigation and improvement on structural stability and stress rupture properties of a Ni-Fe based alloy[J]. Mater.Des.2015， 88： 790-798

[4] K L Kruger. Materials for ultra super criticaland advanced ultra-supercritical powerplants.HAYNES-282 alloy[M]. American： Woodhead Publishing： 2017： 511-545.

[5] 牟义强. K325合金δ析出行为及其对力学性能硬性[D].大连理工大学，2018.

沈阳理工大学，辽宁 沈阳 110168