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ncoloy 800合金属于铁—镍一铬合金,具有良好的耐腐蚀性能和抗氧化性能,在常温和高温下都有高的抗张强度和高的蠕变破断强度。广泛应用于锅炉设备、水蒸汽高塔设备的压气管和合成氨输出压力管以及家庭炊具等。已发展成为一个系列Incoloy 800合金,主要分类由表1给出。
Incoloy 800合金是Fe-Cr-Ni基合金,Bcadley提供Fe-Cr-Ni三元平衡相图(见图
。由图可以看出800合金是完全奥氏体组织,γ和γ+o相之间界线,随温度下降向着标定800合金(成分范围移动。由于成分偏析或沉淀,钢的标定成分有微量变更,会引起相界线的变化。例如:Ni;(Al,Ti)的析出,将降低基体的含镍量,改变基体的成分。成分控制中应注意用电子控位数来控制a相的析出,由公式(1)计算得出表2数据:△Niv=Ni-3Ti-3.5A1-1.7Si-0.9Cr-4.7
当△Niy<0时, 产生σ相。
由表2的数据可以看出△Niy>4.78,远远离开产生σ相的可能性,因此在一般使用中无需担心 相的出现。
2.2 碳
钛和铬是一对很强的碳化物形成元素。钛和碳的亲合力比铬和碳的亲合力强,因此在平衡状态下,TiC首先析出而不是M23C6。
碳和钛有密切的关系,钛增加耐腐蚀性能,减少基体中固溶碳。800合金采用高的Ti/C比率,对于低碳800合金Ti/C=12~20;对高碳800HTi/C=4最佳。这种比率下碳主要被碳化物TiC所稳定。我厂生产的GH800H合金Ti/C比率在5~7之间。碳对控制热处理期间的晶粒度大小也起重要作用,同时对机械性能有好的作用。
2.3 铝和钛
800合金是一种时效硬化型合金,以γ为强化基体。800合金同镍基合金一样,随Al和Ti的含量增加,Y[Ni₃(Al,Ti)]析出量也增加。Y的析出对蠕变强度有利而对韧性有所损害。为满足时效强化的作用,对A1+Ti%的百分比含量进行了实验研究,由大量的国内外资料介绍:Al+Ti%之和最小含量为0.5%,而最大含量为1%。在此范围内蠕变强度和韧性都比较理想。而超过1.0%含量,使一次TiC的块状增加,对性能有不利影响。
铝和钛都是增加蠕变强度的重要元素,Al在增加蠕变破断强度的作用比钛小,而在降低韧性A1比Ti更强。因此要获得最佳的强度和韧性,须选择低铝高钛。
3 显微结构特征
3.1 晶粒度
晶粒度问题对于800合金是一主要问题。在美国ASTM标准中强调晶粒度为2~5级,这是因为晶粒度的尺寸对蠕变性能有直接的影响。
3.1.1热处理制度的影响
同一般不锈钢一样Incoloy 800合金的晶粒度随着固溶温度的升高,晶粒尺寸明显的增大,但不是简单的直接关系(如图2)。我们进行固溶温度与晶粒度之间关系的实验证实:Incoloy 800H晶粒度的粗化温度在1130℃~1140℃之间,保温在3h以上晶粒明显粗化。
3.1.2 钛和碳含量的影响
在Incoloy 800合金中钛是以TiC的形式作为强化相,TiC质点的分布形式直接影响晶粒尺寸。
碳含量的不同,决定析出TiC的量的不同。晶粒临界粗化温度不同。由图2可以看出对于低碳800合金粗化温度为980℃;800H粗化温度为1150℃。在临界粗化以上晶粒迅速长大。
3.1.3 晶粒度与蠕变性能的关系
Incoloy 800合金高温蠕变(持久性能)是主要的性能指标,要求33MPa应力下断裂时间超过1000h。在许多情况下粗晶粒材料比细晶粒材料的蠕变率低,而应变一断裂强度则高。一个简单化的解释就是,与细晶粒材料相比,粗晶粒材料可供晶界滑动的晶界总面积较小。在若干种合金中都已观察到了产生最大蠕变抗力的最佳晶粒度(如图3所示),晶粒的大小如果超出此临界值,稳态蠕变率就会上升。美国标准ASTM对Incoloy800H合金要求晶粒度2~5级,晶粒直径为(1.8×10-²cm~0.62×10-²cm)正处于最佳晶粒度,保证最小蠕变率。
3.1.3晶粒度与蠕变性能的关系
Incoloy 800合金高温蠕变(持久性能)是主要的性能指标,要求33MPa应力下断裂时间超过1000h。在许多情况下粗晶粒材料比细晶粒材料的蠕变率低,而应变一断裂强度则高。一个简单化的解释就是,与细晶粒材料相比,粗晶粒材料可供晶界滑动的晶界总面积较小。在若干种合金中都已观察到了产生最大蠕变抗力的最佳晶粒度(如图3所示),晶粒的大小如果超出此临界值,稳态蠕变率就会上升。美国标准ASTM对Incoloy800H合金要求晶粒度2~5级,晶粒直径为(1.8×10-²cm~0.62×10-²cm)正处于最佳晶粒度,保证最小蠕变率。帕克提出,晶粒度对蠕变率的影响主要是由于不同的晶粒粗化处理所造成的晶界结构改变。高温蠕变取决于位错攀移。空位扩散沿高能量晶界进行比通过整体点阵的速度要快。细晶材料具有许多高能量晶界,因此空位在其中扩散迅速,蠕变率也高。当同样的材料被加热到高温而晶粒粗化的时候,由于晶粒生长,大部分高能量晶界消失了,而且主要留下空位扩散相对缓慢的低能量晶界。因此,在粗晶材料中位错攀移缓慢,因而蠕变率也较低。
在我们的实验中(见表3)也完全证实Incoloy 800H合金晶粒度在2~5级晶粒度下蠕变寿命(应力33MPa)≥1000h。
3.2 800合金的析出相
.800合金主要的析出相有六种:Cr23C6、[MTi]C、TiC(N)、TiN、Y相,Ni₃(Al.Ti)Cx。
3.2.1 碳化物沉淀相
如前所述800合金主要的碳化物相CrzsC和TiC。这两种相在使用过程(300℃~850℃),碳化物不断析出(见图4)。
TiC比M₂₃C₆稳定。但是H₂₃C₆在使用温度下析出较多,这是因为它有较大的动能。M₂3C₆可以迅速在晶界、孪晶界析出,起到强化晶界的作用。偶然也有在晶内析出,有时在晶界处有块状M₃Cs,这样会在基体附近产生贫铬区降低腐蚀性能。但因为800合金Ti/C比率高,晶粒比较细,800H晶粒度2~5级对自身消除贫铬区扩散有利,在这一点,800合金比800H合金消除自身贫铬本能要强一些。
TiC作为800合金中主要的碳化物相,在时效强化中起主要作用。TiC是阻码晶粒长大起主要作用。但如果过剩的钛,形成大块一次TiC,并不一定起到好效果。
由图4可以看出MzC6和TiC的析出和溶解与Y'不同。Incoloy 800合金是以Y为时效强化合金。但在Y被溶解后,碳化物强化效果可以显示出来。有人专门作实验介绍800H合金中,由MzsC₅析出晶界可增加屈服强度为100MPa,而基体Y析出增加屈服强度为50MPa,在晶界析出对屈服影响较小。
3.2.2 Y相的析出
800合金中加入Al和Ti与Ni起反应形成金属间化合物Ni₈(Al,Ti)。Y属于面心结构,析出在奥氏体基体中,属显微基体强化。虽然800合金中铝和钛含量较低,Y析出自分率也较低,但对高温性能影响很大。Y在基体均匀的析出,而且是稳定的。Y在大约600℃迅速形成。材料在550℃~750℃使用中可以观察到,在长期时效过程中γ质点长大非常缓慢,大小约40~50毫微米。这种Y质点切割位错比碳化物强化效果更为显著。
Y对蠕变性能量和抗张性能的影响,主要在650℃左右,使强度增加,韧性下降。
在800℃以上,高温孀变性能及抗张强度主要是碳化物起着强化作用。
4结论
(4.1)只要Ni、Cr、Ti和Al含量控制得当,使Ni当量(△Niy=Ni-3Ti-3.5Al-1.7Si-
0.9Cr-4.7)<0,800合金在使用中一般不会出现σ相;
(4.2) 控制Ti/C=5~7,(Al+Ti)含量=0.8~1.0%,且低A1高Ti,800合金可获得最佳
的综合性能;
(4.3)800合金的晶粒度在2~5级,具有最佳的抗蠕变性能。
(4.4) 相[Ni₃(A1,Ti)]是800合金的主强化相,它在600~650℃下析出速度快,在800℃以下都较稳定。