（沈陽鼓風(fēng)機集團股份有限公司）

0 引言

鎳基高溫合金是以Ni為基體，在高溫環(huán)境下具有良好的拉伸強度、高溫蠕變抗力以及相當(dāng)優(yōu)異的抗高溫疲勞和熱腐蝕性能的高溫合金，廣泛地用于航空、動力、石化等行業(yè)中承受高溫、高速等苛刻工作條件的關(guān)鍵部件[1]。本文主要研究對象為三種典型的鎳基合金：Inconel 625、Inconel 625plus及Inconel 718。Inconel 625合金是一種以Ni、Cr為基，Mo、Nb為主要強化元素的固溶強化鎳基變形高溫合金，在650℃以下有良好的持久性能、疲勞性能、抗氧化和抗腐蝕性能，從低溫到1 095℃范圍內(nèi)都具有良好的強度和韌性，合金能抗氯離子應(yīng)力腐蝕裂紋，可用作噴氣發(fā)動機部件、航宇結(jié)構(gòu)部件和化工設(shè)備[2-3]；Inconel 625plus主要指粉末冶金Inconel 625plus合金，該合金粉末顆粒細(xì)小，成分均勻，無宏觀偏析，熱加工性能好，具有很高的屈服強度和良好的熱疲勞性能，Inconel 625plus合金可以滿足應(yīng)力水平較高的機組用件的使用要求，是壓縮機葉輪在高溫工況下的主要材料選擇；Inconel 718合金的研制起源于上世紀(jì)50年代，國內(nèi)于20世紀(jì)60年代末仿照Inconel 718合金研制開發(fā)出GH4196合金，該合金由于其非常穩(wěn)定和特殊的微觀結(jié)構(gòu)，在高達650℃的高溫下表現(xiàn)出優(yōu)異的機械性能，具有良好的穩(wěn)定性、抗蠕變性能、較高的強度及疲勞壽命[4-6]，目前，Inconel 718合金被廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、核能工程等眾多領(lǐng)域[5]。

本文對上述三種典型的鎳基合金進行性能研究，以便通過數(shù)據(jù)對比，直觀的發(fā)現(xiàn)三種合金各自的優(yōu)缺點，為今后選材提供依據(jù)。

1 試驗方法

Inconel 625合金，Inconel 625plus合金以及Inconel 718合金均為沉淀強化合金，故其熱處理工藝都是含有固溶和時效兩個部分，具體熱處理工藝見表1所示。

表1 三種材料熱處理工藝Tab.1 Heat treatment process of three materials

利用XRF1800熒光光譜對三種材料的化學(xué)成分進行分析；利用EVO-18型的掃描電子顯微鏡進行SEM分析及EDS能譜分析；采用RsA250型電子萬能拉伸機進行材料中高溫度拉伸性能的測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 三種材料元素含量對比分析

Inconel 625、Inconel625 plus和Inconel 718合金的化學(xué)成分見表2所示，可以看出Inconel 625 plus合金中Ti含量明顯高于Inconel 625合金，而Ti元素是形成提高強度沉淀強化相γ’(Ni3(Al,Ti))的重要金屬元素，因此Inconel 625 plus合金較Inconel 625合金具有更好的屈服強度；通過對Inconel718合金和Inconel 625 plus合金元素含量進行對比可知，兩者成分在沉淀強化元素上存在區(qū)別，即Inconel 718合金中Al及Nb+Ta元素含量明顯較Inconel625合金高，而Inconel 625 plus合金中Ti元素含量要高于Inconel 718合金，而Inconel 625 Plus合金中細(xì)化晶粒元素Mo的含量則遠(yuǎn)高于Inconel 718合金。從合金成分配比來講，三種合金各有其優(yōu)勢，對應(yīng)其性能也各有優(yōu)勢。

表2 三種材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Tab.2 Chemical components of three materials(quality score/%)

3.2 三種合金材料室溫力學(xué)性能

表3為在室溫下Inconel 625、Inconel 625plus及Inconel 718三種合金的機械性能對比。由表3可知，Inconel 625合金在室溫下具有良好的塑性，但抗拉強度及屈服強度均低于Inconel 625plus及Inconel 718合金，其中屈服強度相差較為明顯，后兩種合金的屈服強度高于Inconel 625兩倍以上；Inconel 718合金的抗拉強度及屈服強度均高于Inconel 625plus合金，但相差不大，且二者均具有較好的塑性。強度通常隨溫度上升而成下降趨勢，因此在高溫環(huán)境下，Inconel 625強度會更低，很難滿足工程使用需求，在高溫環(huán)境中應(yīng)選用Inconel 625plus和Inconel 718兩種合金。

表3 三種材料室溫性能對比Tab.3 The comparison of room temperature performance of three materials

3.3 Inconel 625plus合金及Inconel 718合金高溫力學(xué)性能

表4為高溫下Inconel 625plus合金的機械性能。在260℃下，Inconel 625plus合金的抗拉強度為1 100MPa，屈服強度約為850 MPa，為對應(yīng)室溫下強度的94%，其塑性指標(biāo)與室溫數(shù)據(jù)持平；在400℃下，Inconel 625plus合金的屈服強度約為815MPa，略低于260℃下的屈服強度值，為對應(yīng)室溫下強度的91%，其塑性指標(biāo)與室溫數(shù)據(jù)相近?？梢奍nconel 625plus合金在進行表1所述熱處理后，材料高溫下的機械性能較好，可在一些特定工程中應(yīng)用。

表4 Inconel 625plus合金機械性能Tab.4 The mechanical properties of alloy Inconel 625plus

Inconel 718合金具有良好的綜合力學(xué)性能。在650℃時，Inconel 718合金的抗拉強度為1 000MPa，屈服強度為785MPa，塑性指標(biāo)與常溫下數(shù)據(jù)相近，即在此溫度下仍具有較高強度值，滿足工程需求。

3.4 材料顯微組織分析

Inconel 625plus合金在進行表1所述熱處理后得到的顯微組織如圖1所示。由圖1可以看出，Inconel 625plus合金的晶界上密布著沉淀強化相，晶界內(nèi)部也存在少量沉淀強化相，對內(nèi)部沉淀強化相進行成分分析如圖2所示，可知沉淀強化相的主要構(gòu)成元素為Ti(C，N)。含有大量Ti元素的沉淀強化相能夠?qū)Σ牧匣w起到良好的強化作用，這也是Inconel 625plus合金在室溫和高溫環(huán)境下均具有高強度的原因之一。

表5 Inconel 718合金機械性能Tab.5 The mechanical properties of alloy Inconel 718

圖1 Inconel 625plus合金顯微組織形貌Fig1.The microstructure and morphology of alloy Inconel 625plus

圖2 Inconel625plus合金二次電子形貌和對應(yīng)EDS能譜分析Fig2.The secondary electron morphology and EDS energy spectrum analysis of alloy Inconel 625plus

圖3為Inconel 718合金經(jīng)過時效后的顯微組織形貌，對其組織進行成分分析如圖4所示，圖中長片狀白色組織為該合金時效強化相，結(jié)構(gòu)為面心立方γ’（Ni3Al）相，其顯著提高合金強度。Inconel 718合金是一種時效強化鎳基變形高溫合金，該合金中主要析出相是γ”相、γ’相及δ相。體心四方結(jié)構(gòu)的γ”相（Ni3Nb）為主要強化相，同時輔以面心立方結(jié)構(gòu)的弱強化相γ’（Ni3（Al、Ti）），正交結(jié)構(gòu)的 δ相（NiNb）是γ”相的平衡相。在Inconel 718合金中，析出相本身及周圍應(yīng)力場能夠阻礙位錯運動，同時與合金基體間存在較大共格畸變能，尤其是γ”相，從而使合金在高溫下具有更強的強化性能[7]。

圖3 Inconel 718合金顯微組織形貌Fig3.The microstructure and morphology of alloy Inconel 718

圖4 Inconel 718合金形貌相對應(yīng)EDS能譜分析Fig4.The EDS analysis with the corresponding of microscopic morphology of alloy Inconel 718

4 結(jié)論

1）Inconel 625 plus合金中Ti及Mo元素相對含量較高，而Inconel 718合金中Al及Nb+Ta元素相對含量較高，這類沉淀強化元素對提升材料機械性能起著決定因素。

2）Inconel 625合金的沉淀強化相為γ’，但其中Ti等沉淀強化元素較少，因此強度相對較低；Inconel 625plus合金晶界上密布著沉淀強化相，晶界內(nèi)部也存在少量沉淀強化相，且沉淀強化相的主要構(gòu)成元素為Ti(C，N)；Inconel 718合金主要析出相是γ”相（主要強化相）、γ’相（弱強化相）及δ相（平衡相）。

3）室溫下Inconel 625具有相對較低的抗拉強度及屈服強度，使其在工程中的使用受到一定的制約。而Inconel 625plus及Inconel 718合金均具有較高的室溫和中高溫度下的抗拉強度及屈服強度，且均有良好的塑性，故此在工程中的使用價值相對更高些。