三种镍基合金显微组织及性能的对比研究

（沈阳鼓风机集团股份有限公司）

0 引言

镍基高温合金是以Ni为基体，在高温环境下具有良好的拉伸强度、高温蠕变抗力以及相当优异的抗高温疲劳和热腐蚀性能的高温合金，广泛地用于航空、动力、石化等行业中承受高温、高速等苛刻工作条件的关键部件[1]。本文主要研究对象为三种典型的镍基合金：Inconel 625、Inconel 625plus及Inconel 718。Inconel 625合金是一种以Ni、Cr为基，Mo、Nb为主要强化元素的固溶强化镍基变形高温合金，在650℃以下有良好的持久性能、疲劳性能、抗氧化和抗腐蚀性能，从低温到1 095℃范围内都具有良好的强度和韧性，合金能抗氯离子应力腐蚀裂纹，可用作喷气发动机部件、航宇结构部件和化工设备[2-3]；Inconel 625plus主要指粉末冶金Inconel 625plus合金，该合金粉末颗粒细小，成分均匀，无宏观偏析，热加工性能好，具有很高的屈服强度和良好的热疲劳性能，Inconel 625plus合金可以满足应力水平较高的机组用件的使用要求，是压缩机叶轮在高温工况下的主要材料选择；Inconel 718合金的研制起源于上世纪50年代，国内于20世纪60年代末仿照Inconel 718合金研制开发出GH4196合金，该合金由于其非常稳定和特殊的微观结构，在高达650℃的高温下表现出优异的机械性能，具有良好的稳定性、抗蠕变性能、较高的强度及疲劳寿命[4-6]，目前，Inconel 718合金被广泛应用于航空航天、石油化工、核能工程等众多领域[5]。

本文对上述三种典型的镍基合金进行性能研究，以便通过数据对比，直观的发现三种合金各自的优缺点，为今后选材提供依据。

1 试验方法

Inconel 625合金，Inconel 625plus合金以及Inconel 718合金均为沉淀强化合金，故其热处理工艺都是含有固溶和时效两个部分，具体热处理工艺见表1所示。

表1 三种材料热处理工艺Tab.1 Heat treatment process of three materials

利用XRF1800荧光光谱对三种材料的化学成分进行分析；利用EVO-18型的扫描电子显微镜进行SEM分析及EDS能谱分析；采用RsA250型电子万能拉伸机进行材料中高温度拉伸性能的测试。

2 结果与讨论

2.1 三种材料元素含量对比分析

Inconel 625、Inconel625 plus和Inconel 718合金的化学成分见表2所示，可以看出Inconel 625 plus合金中Ti含量明显高于Inconel 625合金，而Ti元素是形成提高强度沉淀强化相γ’(Ni3(Al,Ti))的重要金属元素，因此Inconel 625 plus合金较Inconel 625合金具有更好的屈服强度；通过对Inconel718合金和Inconel 625 plus合金元素含量进行对比可知，两者成分在沉淀强化元素上存在区别，即Inconel 718合金中Al及Nb+Ta元素含量明显较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合金中细化晶粒元素Mo的含量则远高于Inconel 718合金。从合金成分配比来讲，三种合金各有其优势，对应其性能也各有优势。

表2 三种材料化学成分(质量分数/%)Tab.2 Chemical components of three materials(quality score/%)

3.2 三种合金材料室温力学性能

表3为在室温下Inconel 625、Inconel 625plus及Inconel 718三种合金的机械性能对比。由表3可知，Inconel 625合金在室温下具有良好的塑性，但抗拉强度及屈服强度均低于Inconel 625plus及Inconel 718合金，其中屈服强度相差较为明显，后两种合金的屈服强度高于Inconel 625两倍以上；Inconel 718合金的抗拉强度及屈服强度均高于Inconel 625plus合金，但相差不大，且二者均具有较好的塑性。强度通常随温度上升而成下降趋势，因此在高温环境下，Inconel 625强度会更低，很难满足工程使用需求，在高温环境中应选用Inconel 625plus和Inconel 718两种合金。

表3 三种材料室温性能对比Tab.3 The comparison of room temperature performance of three materials

3.3 Inconel 625plus合金及Inconel 718合金高温力学性能

表4为高温下Inconel 625plus合金的机械性能。在260℃下，Inconel 625plus合金的抗拉强度为1 100MPa，屈服强度约为850 MPa，为对应室温下强度的94%，其塑性指标与室温数据持平；在400℃下，Inconel 625plus合金的屈服强度约为815MPa，略低于260℃下的屈服强度值，为对应室温下强度的91%，其塑性指标与室温数据相近。可见Inconel 625plus合金在进行表1所述热处理后，材料高温下的机械性能较好，可在一些特定工程中应用。

表4 Inconel 625plus合金机械性能Tab.4 The mechanical properties of alloy Inconel 625plus

Inconel 718合金具有良好的综合力学性能。在650℃时，Inconel 718合金的抗拉强度为1 000MPa，屈服强度为785MPa，塑性指标与常温下数据相近，即在此温度下仍具有较高强度值，满足工程需求。

3.4 材料显微组织分析

Inconel 625plus合金在进行表1所述热处理后得到的显微组织如图1所示。由图1可以看出，Inconel 625plus合金的晶界上密布着沉淀强化相，晶界内部也存在少量沉淀强化相，对内部沉淀强化相进行成分分析如图2所示，可知沉淀强化相的主要构成元素为Ti(C，N)。含有大量Ti元素的沉淀强化相能够对材料基体起到良好的强化作用，这也是Inconel 625plus合金在室温和高温环境下均具有高强度的原因之一。

表5 Inconel 718合金机械性能Tab.5 The mechanical properties of alloy Inconel 718

图1 Inconel 625plus合金显微组织形貌Fig1.The microstructure and morphology of alloy Inconel 625plus

图2 Inconel625plus合金二次电子形貌和对应EDS能谱分析Fig2.The secondary electron morphology and EDS energy spectrum analysis of alloy Inconel 625plus

图3为Inconel 718合金经过时效后的显微组织形貌，对其组织进行成分分析如图4所示，图中长片状白色组织为该合金时效强化相，结构为面心立方γ’（Ni3Al）相，其显著提高合金强度。Inconel 718合金是一种时效强化镍基变形高温合金，该合金中主要析出相是γ”相、γ’相及δ相。体心四方结构的γ”相（Ni3Nb）为主要强化相，同时辅以面心立方结构的弱强化相γ’（Ni3（Al、Ti）），正交结构的 δ相（NiNb）是γ”相的平衡相。在Inconel 718合金中，析出相本身及周围应力场能够阻碍位错运动，同时与合金基体间存在较大共格畸变能，尤其是γ”相，从而使合金在高温下具有更强的强化性能[7]。

图3 Inconel 718合金显微组织形貌Fig3.The microstructure and morphology of alloy Inconel 718

图4 Inconel 718合金形貌相对应EDS能谱分析Fig4.The EDS analysis with the corresponding of microscopic morphology of alloy Inconel 718

4 结论

1）Inconel 625 plus合金中Ti及Mo元素相对含量较高，而Inconel 718合金中Al及Nb+Ta元素相对含量较高，这类沉淀强化元素对提升材料机械性能起着决定因素。

2）Inconel 625合金的沉淀强化相为γ’，但其中Ti等沉淀强化元素较少，因此强度相对较低；Inconel 625plus合金晶界上密布着沉淀强化相，晶界内部也存在少量沉淀强化相，且沉淀强化相的主要构成元素为Ti(C，N)；Inconel 718合金主要析出相是γ”相（主要强化相）、γ’相（弱强化相）及δ相（平衡相）。

3）室温下Inconel 625具有相对较低的抗拉强度及屈服强度，使其在工程中的使用受到一定的制约。而Inconel 625plus及Inconel 718合金均具有较高的室温和中高温度下的抗拉强度及屈服强度，且均有良好的塑性，故此在工程中的使用价值相对更高些。