呂振家 彭建強(qiáng) 鞠紅霞 馮天澍 韓 亮 閆紅博

(1.哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江150046；2.黑龍江科技大學(xué)，黑龍江150022)

R26是一種Fe-Ni-Co-Cr基沉淀硬化型高溫合金，具有良好的室溫綜合性能、高的持久蠕變強(qiáng)度和低的缺口敏感性以及優(yōu)良的抗應(yīng)力松馳性能，廣泛用于超臨界、超超臨界汽輪機(jī)葉片、緊固件等高溫部件。然而，在實(shí)際生產(chǎn)中，部分爐號(hào)的R26合金棒材，特別是軋制棒材，在標(biāo)準(zhǔn)熱處理之后，會(huì)出現(xiàn)帶狀細(xì)晶組織。由于晶界在高溫下是薄弱位置，因此，通常希望高溫材料能獲得相對(duì)較粗的晶粒。目前，對(duì)于該合金的研究，多在鍛造工藝、化學(xué)成分對(duì)性能的影響等方面[1-3]，對(duì)于R26合金細(xì)晶帶組織的研究，尚未見(jiàn)報(bào)道。

本文針對(duì)某爐號(hào)軋制R26合金棒材出現(xiàn)的細(xì)晶帶問(wèn)題，分析了問(wèn)題產(chǎn)生的原因，并通過(guò)試驗(yàn)研究，找到了解決此問(wèn)題的手段，即通過(guò)增加預(yù)備熱處理，可以消除細(xì)晶帶。而且，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果及批量產(chǎn)品工藝試驗(yàn)結(jié)果表明，增加預(yù)備熱處理不會(huì)影響合金室溫拉伸和高溫持久等性能。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料采用真空感應(yīng)爐+電渣重熔工藝冶煉，軋制成形，成品規(guī)格為?75 mm?；瘜W(xué)成分和性能要求分別如表1和表2所示。

表1 試驗(yàn)材料化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition requirements of tested material(mass fraction,%)

表2 力學(xué)性能要求Table 2 Mechanical properties requirements

R26合金的標(biāo)準(zhǔn)熱處理工藝如下：

1025℃±13℃×1 h，油冷或水冷+815℃±8℃×20 h，爐冷至730℃±8℃×20 h，空冷。

2 問(wèn)題描述及原因分析

2.1 問(wèn)題描述

棒材軋制完成后，檢查金相，發(fā)現(xiàn)組織均勻，晶粒度為7.0級(jí)～8.0級(jí)，但是標(biāo)準(zhǔn)熱處理后檢查組織，發(fā)現(xiàn)組織非常不均勻并存在大量細(xì)晶帶，晶粒度為4.0級(jí)～7.0級(jí)，如圖1所示。但是，棒材的室溫拉伸性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，如表3所示，且強(qiáng)度和塑形都有較好的富裕度。

軋制態(tài)(100×)標(biāo)準(zhǔn)熱處理后(100×)

圖1 軋制態(tài)和標(biāo)準(zhǔn)熱處理后的組織Figure 1 Microstructure in rolled state and that after standard heat treatment

圖2 異常組織(500×)Figure 2 Abnormal structure(500×)

1050℃處理前4.0級(jí)60%,7.0級(jí)40%1050℃處理后3.0級(jí)90%,7.0級(jí)10%1080℃處理前4.0級(jí)～7.0級(jí)1080℃處理后3.0級(jí)1100℃處理前4.0級(jí)～7.0級(jí)1100℃處理后3.0級(jí)

圖3 預(yù)備熱處理前后的組織比較(100×)Figure 3 Comparison of microstructures before and after preparatory heat treatment(100×)

圖4 預(yù)備熱處理與補(bǔ)充固溶的晶粒度對(duì)比(100×)Figure 4 Comparison of grain size between preparatory heat treatment and supplementary solid solution(100×)

圖5 返修前后組織對(duì)比(100×)
Figure 5 Microstructure comparison before and
after repair(100×)

2.2 原因分析

R26合金經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)熱處理后的組織由γ基體、γ′相、TiC、TiN、M3B2型硼化物、M6C型碳化物組成。合金中的一次相主要是TiC和TiN，以?shī)A雜物的形式沿加工方向分布，成塊狀或條狀，個(gè)別呈帶狀。合金異常組織在500倍下的照片如圖2所示，可以看到沿加工方向的TiC、TiN，以及沿晶界分布的大量硼化物和碳化物。由于這些夾雜物和碳化物等顆粒對(duì)位錯(cuò)移動(dòng)有釘扎作用，阻礙了晶粒的長(zhǎng)大，從而導(dǎo)致細(xì)晶帶的形成。

3 解決方案

3.1 試驗(yàn)方案

根據(jù)形成細(xì)晶帶的原因，制定了增加一道預(yù)備熱處理的工藝，即提高固溶溫度，使硼化物和碳化物溶解，進(jìn)而使合金發(fā)生充分的靜態(tài)再結(jié)晶。將試樣分別加熱到1050℃、1080℃、1100℃，保溫時(shí)間均為1 h，之后進(jìn)行金相組織檢查，見(jiàn)圖3。

從圖3可以看出：

(1)經(jīng)過(guò)1050℃處理后，帶狀細(xì)晶明顯減少，但是沒(méi)有消除；

(2)經(jīng)過(guò)1080℃和1100℃處理后，帶狀細(xì)晶全部消除，且組織均勻，平均晶粒度為3.0級(jí)。

這說(shuō)明，經(jīng)過(guò)1080℃和1100℃處理后，合金中的硼化物和碳化物發(fā)生了回溶，合金發(fā)生了充分的靜態(tài)再結(jié)晶；而1050℃處理后，僅有部分硼化物和碳化物發(fā)生了回溶，靜態(tài)再結(jié)晶不夠充分。

表4 返修前后力學(xué)性能比較Table 4 Mechanical properties comparison before and after repair

預(yù)備熱處理后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)熱處理，存在晶粒繼續(xù)長(zhǎng)大的風(fēng)險(xiǎn)，因此，對(duì)經(jīng)過(guò)1080℃和1100℃處理的試樣重新進(jìn)行了1030℃固溶，結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯觯俳?jīng)過(guò)一次1030℃固溶處理，組織仍然保持均勻，且晶粒度不變，仍為3.0級(jí)。

3.2 試生產(chǎn)

采用1080℃預(yù)備熱處理+標(biāo)準(zhǔn)熱處理工藝對(duì)存在細(xì)晶帶的棒料進(jìn)行大爐試生產(chǎn)，之后進(jìn)行了金相組織、室溫拉伸和高溫持久等性能試驗(yàn)，結(jié)果分別如圖5、表4所示。

從檢測(cè)結(jié)果可以看出：

(1)組織：預(yù)備熱處理很好地改善了材料組織，使原來(lái)的混晶組織變?yōu)榫鶆蚪M織，且經(jīng)過(guò)預(yù)備熱處理+標(biāo)準(zhǔn)熱處理后，晶粒度也滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)室溫強(qiáng)度：與存在細(xì)晶帶組織材料的室溫拉伸強(qiáng)度相比，增加預(yù)備熱處理后，材料的屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度有所下降，這主要是因?yàn)樵谑覝叵虏牧现饕揽烤Ы鐝?qiáng)化，而增加預(yù)備熱處理后，原有的細(xì)晶粒變粗，晶界強(qiáng)化減弱，所以強(qiáng)度降低。

(3)高溫持久性能：在增加預(yù)備熱處理前，由于細(xì)晶帶的存在，導(dǎo)致材料的高溫持久性能下降，在650℃、540 MPa條件下，持久時(shí)間僅為85 h，不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；而增加預(yù)備熱處理之后，由于消除了細(xì)晶帶，材料的組織均勻，且晶粒較為粗大，顯著提高了材料的持久強(qiáng)度，同樣試驗(yàn)條件下，持久時(shí)間為320 h，幾乎是存在帶狀細(xì)晶材料的4倍。

4 總結(jié)

針對(duì)R26合金棒材在實(shí)際生產(chǎn)中遇到的細(xì)晶帶問(wèn)題，分析了出現(xiàn)細(xì)晶帶的原因，提出了解決方案，并采用確定的最佳方案進(jìn)行了大爐試生產(chǎn)，結(jié)果表明，通過(guò)增加一道預(yù)備熱處理，可以有效地消除細(xì)晶帶組織，且經(jīng)過(guò)預(yù)備熱處理+標(biāo)準(zhǔn)熱處理后，棒材的組織均勻，晶粒大小適當(dāng)，室溫拉伸和高溫持久性能優(yōu)異。