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Inconel 625合金在高溫和熱腐蝕環(huán)境下的性能分析
來源:迅明
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作者:佚名
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發(fā)布時間: 2021-05-24
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Inconel 625合金屬于固溶強化型鎳基變形高溫合金,具有優(yōu)良耐腐蝕性能、抗高溫氧化性能,在980℃及以下,依然具備耐煙霧氣氛的應(yīng)力腐蝕、良好的疲勞性能以及高溫力學(xué)穩(wěn)定性等。根據(jù)其性能被廣泛應(yīng)用于核電、海洋、化工等領(lǐng)域。
Inconel 625合金屬于固溶強化型鎳基變形高溫合金,具有優(yōu)良耐腐蝕性能、抗高溫氧化性能,在980℃及以下,依然具備耐煙霧氣氛的應(yīng)力腐蝕、良好的疲勞性能以及高溫力學(xué)穩(wěn)定性等。根據(jù)其性能被廣泛應(yīng)用于核電、海洋、化工等領(lǐng)域。
本文通過熱擠壓成形工藝成功制備了Inconel625合金棒材,并在此基礎(chǔ)上對其在高溫、熱腐蝕環(huán)境下的性能進行了研究。而Inconel 625合金在高溫復(fù)雜服役環(huán)境下,其力學(xué)性能會在較窄的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出不穩(wěn)定性,即合金的溫度敏感性。本文以合金在高溫、熱腐蝕狀態(tài)下的相變轉(zhuǎn)化為切入點,通過設(shè)計不同溫度和不同時間下的時效實驗、熱腐蝕實驗以及不同溫度的蠕變實驗,分析微觀組織演變和力學(xué)性能的變化規(guī)律,進一步研究合金在服役環(huán)境下的相轉(zhuǎn)變機制,并找出相變與溫度敏感特性之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。通過不同溫度、不同時效時間下的高溫與常溫拉伸實驗,研究了相變轉(zhuǎn)化對熱擠壓Inconel 625合金的微觀組織演變和性能的影響機制。
研究發(fā)現(xiàn),在650℃和800℃,隨著時效時間的增加,材料的屈服強度和抗拉強度都呈現(xiàn)增長的趨勢,尤其屈服強度的增長最為顯著;而在750℃,隨著時效時間的增加,試樣的強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,試樣力學(xué)性能的下降與γ''→δ相的轉(zhuǎn)變以及孔洞缺陷、微裂紋的形成有關(guān)。在高溫拉伸和常溫拉伸下,隨著時效時間的增加,δ相數(shù)量的增加導(dǎo)致試樣的延伸率都呈下降的趨勢。當(dāng)溫度為650℃時,試樣的晶粒尺寸一直呈增加的趨勢,在時效時間150h時,平均晶粒尺寸達到最大值為38μm;當(dāng)時效溫度達到750℃及以上,時效時間超過75h,由于δ相對晶界的釘扎作用以及Nb原子的拖拽作用導(dǎo)致晶粒出現(xiàn)明顯細化的現(xiàn)象。而經(jīng)高溫拉伸的試樣發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶,使800℃時效后的試樣的晶粒細化更顯著。在650℃~800℃,發(fā)生了γ''到δ相的相變轉(zhuǎn)化,使試樣的機械性能的表現(xiàn)出不穩(wěn)定性,同時δ相的形態(tài)由顆粒狀向針狀的魏氏體組織轉(zhuǎn)變,其作用也發(fā)生了改變,導(dǎo)致Inconel 625合金產(chǎn)生了對溫度的敏感特性。通過不同溫度的蠕變實驗,研究了相轉(zhuǎn)變、溫度以及相變強化機制對熱擠壓Inconel 625合金的微觀組織演變和性能的影響規(guī)律。研究表明,在720℃及以下溫度,蠕變載荷為250MPa時,Inconel 625合金具有優(yōu)異的抗蠕變性能。當(dāng)溫度高于720℃時,試樣都進入了蠕變加速階段,而且隨著溫度的升高,顆粒狀的δ相的開始在晶界析出并聚集成短棒狀,最后以針狀的形態(tài)在晶體表面擴展,使試樣的蠕變速率增大,導(dǎo)致其蠕變性能下降。在蠕變溫度為720℃~740℃時,試樣的表面都沒有產(chǎn)生孿晶,此時η相沿著γ′沉淀物中堆垛層錯分布并抑制其變成孿晶,相變強化機制提升了合金的抗蠕變性能。而在750℃時,蠕變過程中產(chǎn)生了大量的形變孿晶,表明相變強化機制已經(jīng)失效或不起主要作用,此時形變孿晶是蠕變機理的主導(dǎo)機制。通過不同溫度和不同時間的熱腐蝕實驗,研究了熱腐蝕行為對熱擠壓Inconel 625合金的微觀組織演變和性能的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn),合金經(jīng)熔鹽熱腐蝕后,其表面析出致密的氧化物為Cr_2O_3和Fe_3O_4以及Ni Cr_2O_4;而經(jīng)900℃熔鹽處理后,在金屬基體和氧化物之間形成了過渡層,其成分為Ni O與Ni_3S_2;隨著腐蝕時間的增加,硫化物不斷在合金表面析出和聚集。經(jīng)650℃熔鹽處理后,隨著熱腐蝕時間的增加,試樣的強度呈增長的趨勢,而延伸率依然呈現(xiàn)下降的趨勢。與650℃時效后的室溫拉伸相比,其強度和延伸率的變化趨勢是一致的,只是其強度優(yōu)于相同時間下時效后的室溫拉伸強度,而其延伸率則低于相同時間下時效后試樣的延伸率。這是由于熔鹽阻礙了γ''向δ相發(fā)生轉(zhuǎn)變以及熔鹽促進晶界和晶體內(nèi)Cr_(23)C_6的析出等共同作用的結(jié)果。經(jīng)900℃熔鹽處理后,試樣的抗拉強度和延伸率呈減小趨勢;屈服強度呈先降低再升高最后再降低的趨勢,但總體呈現(xiàn)下降的趨勢。硫化物沿著富Nb態(tài)的塊狀MC碳化物在晶界形成的孔洞實現(xiàn)快速的擴散以及γ''向δ相不斷地發(fā)生轉(zhuǎn)化共同導(dǎo)致了材料的強度和塑性下降。
本文通過熱擠壓成形工藝成功制備了Inconel625合金棒材,并在此基礎(chǔ)上對其在高溫、熱腐蝕環(huán)境下的性能進行了研究。而Inconel 625合金在高溫復(fù)雜服役環(huán)境下,其力學(xué)性能會在較窄的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出不穩(wěn)定性,即合金的溫度敏感性。本文以合金在高溫、熱腐蝕狀態(tài)下的相變轉(zhuǎn)化為切入點,通過設(shè)計不同溫度和不同時間下的時效實驗、熱腐蝕實驗以及不同溫度的蠕變實驗,分析微觀組織演變和力學(xué)性能的變化規(guī)律,進一步研究合金在服役環(huán)境下的相轉(zhuǎn)變機制,并找出相變與溫度敏感特性之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。通過不同溫度、不同時效時間下的高溫與常溫拉伸實驗,研究了相變轉(zhuǎn)化對熱擠壓Inconel 625合金的微觀組織演變和性能的影響機制。
研究發(fā)現(xiàn),在650℃和800℃,隨著時效時間的增加,材料的屈服強度和抗拉強度都呈現(xiàn)增長的趨勢,尤其屈服強度的增長最為顯著;而在750℃,隨著時效時間的增加,試樣的強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,試樣力學(xué)性能的下降與γ''→δ相的轉(zhuǎn)變以及孔洞缺陷、微裂紋的形成有關(guān)。在高溫拉伸和常溫拉伸下,隨著時效時間的增加,δ相數(shù)量的增加導(dǎo)致試樣的延伸率都呈下降的趨勢。當(dāng)溫度為650℃時,試樣的晶粒尺寸一直呈增加的趨勢,在時效時間150h時,平均晶粒尺寸達到最大值為38μm;當(dāng)時效溫度達到750℃及以上,時效時間超過75h,由于δ相對晶界的釘扎作用以及Nb原子的拖拽作用導(dǎo)致晶粒出現(xiàn)明顯細化的現(xiàn)象。而經(jīng)高溫拉伸的試樣發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶,使800℃時效后的試樣的晶粒細化更顯著。在650℃~800℃,發(fā)生了γ''到δ相的相變轉(zhuǎn)化,使試樣的機械性能的表現(xiàn)出不穩(wěn)定性,同時δ相的形態(tài)由顆粒狀向針狀的魏氏體組織轉(zhuǎn)變,其作用也發(fā)生了改變,導(dǎo)致Inconel 625合金產(chǎn)生了對溫度的敏感特性。通過不同溫度的蠕變實驗,研究了相轉(zhuǎn)變、溫度以及相變強化機制對熱擠壓Inconel 625合金的微觀組織演變和性能的影響規(guī)律。研究表明,在720℃及以下溫度,蠕變載荷為250MPa時,Inconel 625合金具有優(yōu)異的抗蠕變性能。當(dāng)溫度高于720℃時,試樣都進入了蠕變加速階段,而且隨著溫度的升高,顆粒狀的δ相的開始在晶界析出并聚集成短棒狀,最后以針狀的形態(tài)在晶體表面擴展,使試樣的蠕變速率增大,導(dǎo)致其蠕變性能下降。在蠕變溫度為720℃~740℃時,試樣的表面都沒有產(chǎn)生孿晶,此時η相沿著γ′沉淀物中堆垛層錯分布并抑制其變成孿晶,相變強化機制提升了合金的抗蠕變性能。而在750℃時,蠕變過程中產(chǎn)生了大量的形變孿晶,表明相變強化機制已經(jīng)失效或不起主要作用,此時形變孿晶是蠕變機理的主導(dǎo)機制。通過不同溫度和不同時間的熱腐蝕實驗,研究了熱腐蝕行為對熱擠壓Inconel 625合金的微觀組織演變和性能的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn),合金經(jīng)熔鹽熱腐蝕后,其表面析出致密的氧化物為Cr_2O_3和Fe_3O_4以及Ni Cr_2O_4;而經(jīng)900℃熔鹽處理后,在金屬基體和氧化物之間形成了過渡層,其成分為Ni O與Ni_3S_2;隨著腐蝕時間的增加,硫化物不斷在合金表面析出和聚集。經(jīng)650℃熔鹽處理后,隨著熱腐蝕時間的增加,試樣的強度呈增長的趨勢,而延伸率依然呈現(xiàn)下降的趨勢。與650℃時效后的室溫拉伸相比,其強度和延伸率的變化趨勢是一致的,只是其強度優(yōu)于相同時間下時效后的室溫拉伸強度,而其延伸率則低于相同時間下時效后試樣的延伸率。這是由于熔鹽阻礙了γ''向δ相發(fā)生轉(zhuǎn)變以及熔鹽促進晶界和晶體內(nèi)Cr_(23)C_6的析出等共同作用的結(jié)果。經(jīng)900℃熔鹽處理后,試樣的抗拉強度和延伸率呈減小趨勢;屈服強度呈先降低再升高最后再降低的趨勢,但總體呈現(xiàn)下降的趨勢。硫化物沿著富Nb態(tài)的塊狀MC碳化物在晶界形成的孔洞實現(xiàn)快速的擴散以及γ''向δ相不斷地發(fā)生轉(zhuǎn)化共同導(dǎo)致了材料的強度和塑性下降。
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