一种镍基高温合金的热处理工艺及其应用的制作方法

1.本发明属于耐热合金热处理技术领域，具体涉及一种镍基高温合金的热处理工艺其应用。


背景技术：

2.在我国的能源消费结构中，煤炭占到一次能源的70％以上，火力发电占全国总发电量的75％以上。基于我国能源结构及能源消费这一现状，为了缓解日益严峻的环境压力，实现自然、经济、社会的可持续发展，因而发展700℃级超超临界煤发电技术对我国尤为重要。发展高参数超超临界机组在设计和参数的选定上很大程度上受制于材料技术的发展。锅炉关键高温部件，不仅要求耐热合金具有较高的高温强度、抗烟气腐蚀、抗蒸汽氧化腐蚀，同时要具有较好的高温塑性。锅炉关键部件，承受较大的应力及较高的温度，若耐热高温合金具有较高的高温拉伸强度和持久强度，可以显著提高的火电机组的运行的安全性和经济性。对于超超临界电站关键部件过/再热器而言，传统钢种已经不能满足要求，必须使用承温能力更强的析出强化镍基及铁镍基合金。
3.700℃级锅炉用镍基高温合金主要为析出强化型高温合金，这些合金的强度主要与γ
′
相的微观组织结构特征参数密切相关。当γ
′
相颗粒尺寸较小时，合金具有优异的拉伸强度、较低的拉伸塑性，而持久强度较差。而当颗粒尺寸较大时，合金持久强度较高和塑性较高，而往往会导致合金高温拉伸强度的降低。


技术实现要素：

4.因此，为了克服现有技术中拉伸性能和持久性能不能同步提高的缺陷，本发明提供了一种镍基高温合金的热处理工艺其应用。
5.为此，本发明提供了以下技术方案。
6.一种镍基高温合金的热处理工艺，包括以下步骤：
7.(1)将轧制态镍基高温合金以不高于20℃/min的升温速率随炉加热至合金液相线温度以下180-250℃℃保温0.5-3h，保温结束后冷却至室温；
8.(2)将经步骤(1)处理后的镍基高温合金以不高于20℃/min的升温速率随炉加热至晶界第二相m6c碳化物开始析出温度以下120-150℃，进行高温时效处理，然后冷却至室温；
9.(3)将经步骤(2)处理后的镍基高温合金以不高于20℃/min的升温速率随炉加热至γ
′
相开始析出温度以下200-250℃，进行低温时效处理，然后冷却至室温。
10.进一步的，所述镍基高温合金按照质量百分数计，包括：c：0.04-0.08％，cr：19-21％，co：9-11％，mo：8-9％，ti：1.9-2.3％，al：1.3-1.7％，fe：≤1.5％，mn：≤0.3％，si：≤0.15％，b：≤0.005％，余量为ni。
11.进一步的，步骤(1)中，镍基高温合金为直径140-160mm的镍基高温合金棒。
12.进一步的，步骤(2)中，高温时效处理的时间为1-3h。
13.进一步的，步骤(3)中，低温时效处理的时间为24-48h。
14.进一步的，步骤(1)、和/或(2)中，采用空冷的方式进行冷却。
15.进一步的，步骤(3)中，采用空冷的方式进行冷却。
16.一种上述热处理工艺后的合金。
17.进一步的，所述合金的晶粒尺寸在100-130μm，γ
′
相颗粒平均尺寸在45-55nm，γ
′
相的体积分数在18-19.5％。
18.上述合金在700℃级锅炉中的应用。
19.本发明技术方案，具有如下优点：
20.1.本发明提供的镍基高温合金的热处理工艺，包括以下步骤：(1)将轧制态镍基高温合金以不高于20℃/min的升温速率随炉加热至合金液相线温度以下180-250℃保温0.5-3h，保温结束后冷却至室温；(2)将经步骤(1)处理后的镍基高温合金以不高于20℃/min的升温速率随炉加热至晶界第二相m6c开始析出温度以下120-150℃，进行高温时效处理，然后冷却至室温；(3)将经步骤(2)处理后的镍基高温合金以不高于20℃/min的升温速率随炉加热至γ
′
相开始析出温度以下200-250℃，进行低温时效处理，然后冷却至室温。
21.步骤(1)固溶处理温度的控制是其保证基体对元素的溶解度，激活元素的扩散能力。固溶处理时间的控制是为了使其在热加工过程中在晶粒内析出的析出相溶解于基体，让轧制态的组织发生再结晶和晶粒长大、消除偏析同时使晶内、晶界第二相全部固溶到基体中。步骤(2)高温时效的目的是促进晶界析出相充分的析出，提高相界面的强度，防止合金沿晶界开裂，保证耐热合金具有良好的拉伸塑性；步骤(3)低温时效的目的是促进合金主要强化相γ
′
相颗粒的充分析出和长大，以提高合金的强度。采用本发明热处理工艺制得的合金γ
′
相颗粒平均尺寸在45-55nm左右，析出相的体积分数在18-19.5％，同时提高了合金的高温拉伸强度、拉伸塑性、持久强度。
22.本发明中采用不高于20℃/min的升温速率进行缓慢加热是为了降低加热过程中的热应力，从而抑制晶界有害相的析出，防止晶界开裂，从而提高合金拉伸塑性。
23.2.本发明提供的热处理工艺，步骤(1)中，镍基高温合金为直径140-160mm的镍基高温合金棒。采用较大尺寸的镍基高温合金可在加热和冷却过程中促进晶界和晶内γ
′
相颗粒快速长大，从而提高合金的强度和塑性。
24.3.本发明提供的热处理工艺，采用空冷的方式进行冷却，可降低冷却过程中诱发的热应力进而抑制晶界有害相的析出，并为时效过程析出相的析出提供形核质点，促进γ
′
相颗粒的析出和长大，确保γ
′
相颗粒的平均尺寸在45-55nm之间。
25.通过时效处理，合金基体内和晶界析出细小连续的析出相，提高了合金强度，使其晶界与晶内具有良好的性能匹配，保证合金在变形过程中具有良好的塑性情况下，拉伸和持久强度得到了显著的提高。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为实施例1步骤1处理后的低倍组织结构；
28.图2为实施例1步骤2处理后的晶界组织结构；
29.图3为实施例1步骤3处理后的合金晶内γ/γ
′
组织结构；
30.图4为对比例1步骤2处理后的晶界组织结构；
31.图5为对比例1步骤3处理后的晶内γ/γ
′
组织结构。
具体实施方式
32.提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
33.实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
34.本发明的一种镍基高温合金的热处理工艺，包括如下步骤：
35.1)取直径为140-160mm的轧制态镍基高温合金棒，该变形态镍基高温合金按照质量百分数计，包括c：0.04-0.08％，cr：19-21％，co：9-11％，mo：8-9％，ti：1.9-2.3％，al：1.3-1.7％，fe：≤1.5％，mn：≤0.3％，si：≤0.15％，b：≤0.005％，余量为ni。
36.2)将合金棒以不高于20℃/min的随炉加热至合金液相线温度以下180-250℃℃，保温0.5-3h，进行固溶处理，然后空冷至室温，确保合金的晶粒尺寸在100-130μm；
37.3)将经过步骤2)处理后的镍基高温合金随炉加热至晶界第二相m6c开始析出温度以下120-150℃，进行高温时效处理，然后空冷至室温，确保碳化物在晶界处不连续的析出。
38.4)将经步骤3)处理后的镍基高温合金随炉加热至主要强化相γ
′
相开始析出温度以下200-250℃，进行低温时效处理后空冷至室温，确保合金γ
′
相颗粒平均尺寸在45-55nm左右，γ
′
相的体积分数在18-19.5％。
39.表1实施例1-4及对比例1中镍基合金高温合金棒的成分，wt％
40.nicrcomotialfesimncbbal.20108.52.11.51.20.040.060.060.004
41.合金液相线温度1346℃，晶界第二相m6c开始析出温度1151℃，γ
′
相开始析出温度1005℃。
42.实施例1
43.本实施例提供了一种镍基高温合金的热处理工艺，包括以下步骤：
44.步骤1：取成分为表1且直径为150mm的轧制态镍基合金高温合金棒，以18℃/min的升温速率随炉加热的至1140℃，保温2h，然后空冷至室温，完成固溶处理。固溶处理后的样品的组织形貌如图1所示，晶粒平均尺寸为120μm。
45.步骤2：将经过步骤1处理后的镍基高温合金棒以每18℃/min的升温速率随炉加热至1010℃，保温2h，随后空冷，完成高温时效热处理，获得的组织如图2所示。从图2可以看出，经步骤2处理后的镍基高温合金晶界碳化物不连续的分布。
46.步骤3：将经过步骤1和步骤2处理后的镍基高温合金棒以每18℃/min的升温速率
随炉加热至760℃，保温24h，随后空冷，完成低温时效热处理。制得的合金晶粒内部γ/γ
′
组织结构如图3所示。γ
′
相颗粒平均尺寸为50nm，体积分数为19.3％。
47.实施例2
48.本实施例提供了一种镍基高温合金的热处理工艺，包括以下步骤：
49.步骤1：取成分为表1且直径为150mm的轧制镍基合金高温合金棒，于20℃/min升温速率随炉加热至1145℃，保温2h，然后空冷至室温，完成固溶处理。合金晶粒平均尺寸为125μm。
50.步骤2：将经过步骤1处理后的合金棒以每20℃/min的升温速率随炉加热至1015℃，保温2h，随后空冷，完成高温时效热处理。
51.步骤3：将经过步骤1和步骤2处理后的合金试棒以每20℃/min的升温速率随炉加热至770℃保温24h，随后空冷，完成低温时效热处理。γ
′
相颗粒平均尺寸在53nm，体积分数为19.0％。
52.实施例3
53.本实施例提供了一种镍基高温合金的热处理工艺，包括以下步骤：
54.步骤1：取成分为表1且直径为140mm的轧制镍基合金高温合金棒，于20℃/min升温速率随炉加热至1145℃，保温2h，然后空冷至室温，完成固溶处理。合金晶粒平均尺寸为125μm。步骤2：将经过步骤1处理后的合金棒以每20℃/min的升温速率随炉加热至1020℃，保温2h，随后空冷，完成高温时效热处理。
55.步骤3：将经过步骤1和步骤2处理后的合金试棒以每20℃/min的升温速率随炉加热至780℃保温36h，随后空冷，完成低温时效热处理。γ
′
相颗粒平均尺寸在55nm，体积分数为18.7％。
56.实施例4
57.本实施例提供了一种镍基高温合金的热处理工艺，包括以下步骤：
58.步骤1：取成分为表1且直径为140mm的轧制镍基合金高温合金棒，于20℃/min升温速率随炉加热至1145℃，保温2h，然后空冷至室温，完成固溶处理。合金晶粒平均尺寸为125
±
5μm。
59.步骤2：将经过步骤1处理后的合金棒以每20℃/min的升温速率随炉加热至1018℃，保温2h，随后空冷，完成高温时效热处理。
60.步骤3：将经过步骤1和步骤2处理后的合金试棒以每20℃/min的升温速率随炉加热至770℃保温24h，随后空冷，完成低温时效热处理。γ
′
相颗粒平均尺寸为53nm，体积分数为19.0％。
61.对比例1
62.本对比例提供了一种镍基高温合金的热处理工艺，包括以下步骤：
63.步骤1：取成分为表1且直径为150mm的轧制镍基合金高温合金棒，直接放入1140℃热处理炉中，保温2h，然后水冷至室温，完成固溶处理。固溶处理后的样品的组织形貌如图4所示。合金晶粒平均尺寸为120
±
5μm。
64.步骤2：将经过步骤1处理后的合金棒直接放入1010℃热处理炉中，保温2h，随后然后水冷至室温，完成高温时效热处理，获得晶界处的组织如图4所示。
65.步骤3：将经过步骤1和步骤2处理后的合金试棒放入788℃保温8h，随后空冷，完成
低温时效热处理。合金晶粒内部γ/γ
′
组织结构如图5所示。γ
′
相颗粒平均尺寸为21nm，体积分数为18.7％。
66.试验例
67.测试实施例和对比例处理后的合金在760℃下的拉伸强度和拉伸塑性，测试结果见表2。
68.表2合金在760℃高温拉伸塑性以及强度测试结果
[0069] 抗拉强度/mpa屈服强度/mpa拉伸断口伸长率/％实施例188066034实施例287562531对比例182159821
[0070]
测试实施例和对比例处理后的合金在760℃/386mpa下的持久寿命(即坚持到断裂的时间)，测试结果见表3。
[0071]
表3合金在760℃/386mpa的持久性能
[0072][0073][0074]
实施例1和对比例1比较可知，经本发明工艺处理得到的耐热合金的组织在760℃高温屈服强度提高了62mpa，抗拉强度提高了59mpa，高温延伸率提高61％以上；在760℃/386mpa条件下，合金持久寿命提高了103％以上，保证合金具有优异拉伸塑性的同时，提高高温强度。
[0075]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：
1.一种镍基高温合金的热处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：(1)将轧态镍基高温合金以不高于20℃/min的升温速率随炉加热至合金液相线温度以下180-250℃保温0.5-3h，保温结束后冷却至室温；(2)将经步骤(1)处理后的镍基高温合金以不高于20℃/min的升温速率随炉加热至晶界第二相m6c碳化物开始析出温度以下120-150℃，进行高温时效处理，然后冷却至室温；(3)将经步骤(2)处理后的镍基高温合金以不高于20℃/min的升温速率随炉加热至γ
′
相开始析出温度以下200-250℃，进行低温时效处理，然后冷却至室温。2.根据权利要求1所述的热处理工艺，其特征在于，所述镍基高温合金按照质量百分数计，包括：c：0.04-0.08％，cr：19-21％，co：9-11％，mo：8-9％，ti：1.9-2.3％，al：1.3-1.7％，fe：≤1.5％，mn：≤0.3％，si：≤0.15％，b：≤0.005％，余量为ni。3.根据权利要求1所述的热处理工艺，其特征在于，步骤(1)中，镍基高温合金为直径140-160mm的镍基高温合金棒。4.根据权利要求1-3任一项所述的热处理工艺，其特征在于，步骤(2)中，高温时效处理的时间为1-3h。5.根据权利要求1-3任一项所述的热处理工艺，其特征在于，步骤(3)中，低温时效处理的时间为24-48h。6.根据权利要求1-3任一项所述的热处理工艺，其特征在于，步骤(1)、和/或(2)中，采用空冷的方式进行冷却。7.根据权利要求1-3任一项所述的热处理工艺，其特征在于，步骤(3)中，采用空冷的方式进行冷却。8.一种权利要求1-7任一项所述的热处理工艺后的合金。9.根据权利要求8所述的合金，其特征在于，所述合金的晶粒尺寸在100-130μm，γ
′
相颗粒平均尺寸在45-55nm，γ
′
相的体积分数在18-19.5％。10.权利要求8或9所述的合金在700℃级锅炉中的应用。

技术总结
一种镍基高温合金的热处理工艺其应用，属于耐热合金热处理技术领域，克服现有技术中拉伸性能和持久性能不能同步提高的缺陷。本发明镍基高温合金的热处理工艺包括以下步骤：(1)将轧制态镍基高温合金以不高于20℃/min的升温速率随炉加热至合金液相线温度以下180-250℃保温0.5-3h，保温结束后空冷至室温；(2)将经步骤(1)处理后的镍基高温合金以不高于20℃/min的升温速率随炉加热至晶界第二相M6C开始析出温度以下120-150℃，进行高温时效处理，然后空冷至室温；(3)将经步骤(2)处理后的镍基高温合金以不高于20℃/min的升温速率随炉加热至γ


技术研发人员：张鹏 周永莉 严靖博 袁勇 刘鹏 李力敏 李沛 黄锦阳
受保护的技术使用者：西安热工研究院有限公司
技术研发日：2022.11.25
技术公布日：2023/7/11