超超临界发电机组螺栓用镍基高温合金混晶组织均匀细化工艺

陈明松，秦刚华，蔺永诚，牟文彪，马艳永，杜晋峰，楼玉民，赵宁宁

材料与成形性能

超超临界发电机组螺栓用镍基高温合金混晶组织均匀细化工艺

陈明松1，秦刚华2，蔺永诚1，牟文彪3，马艳永1，杜晋峰4，楼玉民2，赵宁宁2

（1．中南大学 机电工程学院，长沙 410083；2．浙江浙能技术研究院有限公司，杭州 310026；3．浙江省能源集团有限公司，杭州 310007；4．国能国华（北京）电力研究院有限公司，北京 100018）

消除典型镍基合金锻件中存在的严重混晶组织，从而提高锻件的力学性能。提出“低温相时效+高温连续降温退火”双级热处理工艺，研究该热处理工艺对混晶组织演变及高温性能的影响，揭示锻造混晶组织的均匀细化机制。利用该工艺可以在提升再结晶形核速率的同时降低再结晶晶粒的生长速率，从而获得平均晶粒尺寸为5.82 μm的均匀细小的晶粒组织（达到ASTM12级），并可保证合理的相残余含量。同时，晶粒组织的均匀细化使得合金的强度以及塑性等力学性能均较传统DA工艺得到较大的提升，其中650 ℃屈服强度较DA工艺提升了13.4%。连续降温再结晶热处理工艺可以有效改善镍基高温合金锻件中的混晶状态，并显著提升合金的强度和塑性。

镍基合金；连续降温再结晶；均匀细化机制；力学性能

镍基高温合金在高温环境下具有较高的强度和塑性、良好的抗疲劳、抗氧化性能以及组织的长期稳定性，因此被广泛用于航空航天、能源电力等领域热端动力零件的制造，如火力发电厂超超临界机组高温紧固件等[1—3]。

近年来，国内众多超超临界发电机组陆续出现了大量镍基高温合金螺栓紧固件早期断裂的情况，重要原因是存在严重混晶情况，晶界有大量析出相等制造质量问题，严重威胁机组安全运行。目前，镍基高温合金关键件主要通过锻造加工成形[4—5]。然而在普通模锻过程中，存在不可避免的应变分布不均匀问题，导致严重混晶[6]。针对这一问题，我国成功开发出了DA工艺，在锻造过程中利用预析出的相来促进再结晶形核与抑制晶粒长大，从而将晶粒组织细化至10级（ASTM标准，下同）[7—10]。然而，其锻造工艺参数窗口窄，且需采用具有均匀细晶组织的锻坯进行模锻（通常要求锻坯晶粒度至少达到6—7级，最好是8级以上），这无疑增加了工艺复杂度与成本[11—12]。

为了低成本，高效率地细化普通模锻件的混晶组织，笔者团队[13—15]提出了在恒温热处理过程中利用相影响的亚动态再结晶（MDRX）和静态再结晶（SRX）来细化晶粒的新思路。结果表明，通过“900 ℃×（9-12 h）+980 ℃×60 min”的双级恒温退火处理可获得平均晶粒尺寸为10.94 μm的均匀细小晶粒组织（达到10级）[16]。然而，该工艺难以进一步提高晶粒度。这是由于细化晶粒组织的关键是提高再结晶形核速率，同时降低晶粒长大速率；但形核速率的提高需要温度的提升，而晶粒长大速率的降低需要温度的降低，因此二者存在不可避免的矛盾。

针对上述问题，文中提出一种新的热处理工艺：“低温相时效+高温连续降温退火”工艺，通过将过去采用恒温退火改成高温连续降温退火，以在提升再结晶形核速率的同时降低晶粒长大速率。为了验证该工艺的有效性，先完成热处理实验，然后分析晶粒组织的演变机制，最后研究该工艺对合金性能的影响。

1 高温连续降温退火对锻件混晶组织的影响

1.1 实验方案

选用的材料为国产商用某典型镍基高温合金，其化学成分（质量分数，%）为52.82Ni-18.96Cr-5.23Nb- 3.01Mo-1.00Ti-0.59Al-0.01Co-0.03C-（余量）Fe。

主要的技术路线为：固溶→时效处理→锻造变形→低温相时效处理→高温连续降温再结晶热处理。

1.2 高温连续降温退火前的组织状态

1.2.1 典型的锻造混晶组织

变形后镍基高温合金的晶粒组织如图1a所示。可以看出组织状态为“项链”状混晶结构，众多细小晶粒聚集在细长状大晶粒周围，并且大晶粒内仍存在大量亚晶，这表明组织的再结晶程度很低。此外，变形后镍基高温合金中相的形貌和分布如图1b所示。可以发现，组织中的相以短棒状和球状为主，其体积分数仅为5.86%。

图1 变形后镍基高温合金的微观组织

1.2.2 低温相时效后的组织

根据众多学者的研究，相的时效析出峰值为900 ℃，且在12 h后达到饱和[10,17—18]，因此将变形后的合金在900 ℃下进行12 h的时效处理。时效后的组织如图2a所示。可以发现，时效过程中再结晶只能缓慢发生，组织仍为严重的混晶状态；但如图2b所示，大量针状相在晶内及晶界上析出，其体积分数达到了19.42%。

1.2.3 高温连续降温热处理对微观组织的影响

高温连续降温热处理后镍基高温合金的晶粒组织如图3a所示。可以发现，再结晶已经基本完成，且晶粒组织均匀细小，平均晶粒尺寸仅为5.82 μm（达到12级），这表明连续降温热处理可有效地均匀细化混晶组织，其细化机制见第2节。同时，从图3b可看出，热处理后大部分相已经溶解为颗粒状或短棒状，体积分数为4.09%。

图2 时效处理后镍基高温合金的微观组织

图3 连续降温热处理后镍基高温合金的微观组织

2 混晶组织的均匀细化机制分析

镍基高温合金的混晶组织在高温连续降温热处理过程中的均匀细化过程如图4所示。其中，红色、绿色、黄色区域分别代表变形过程中形成的动态再结晶晶粒（DRX晶粒）、低温相时效过程中形成的静态再结晶晶粒（SRX-1晶粒）以及高温连续降温退火过程中形成的静态再结晶晶粒（SRX-2晶粒）；而蓝色的长针状代表相。

从图4可以看出，在降温热处理的初期阶段，组织中的再结晶行为主要以DRX晶粒的生长和SRX-2晶粒的形核为主。这是由于在降温初期，大量相仍保留在组织中，限制了原有再结晶晶粒（包括DRX和SRX-1晶粒）的过快生长，这有助于提升晶粒组织的均匀性。同时，相保护可能的形核位置不会被原有再结晶晶粒以及长大的先形核晶粒吞并，因此在较高热能（较高的温度）驱动下，大量再结晶核快速形成，尤其是在相相界上，这有助于晶粒组织的细化。

图4 混晶组织的均匀细化过程示意

在高温连续降温热处理的后期阶段，组织中的再结晶行为是以SRX-2晶粒的生长为主。这是由于在后续热处理中，DRX与SRX-1晶粒被众多的SRX-2晶粒包围，之间微小的位错密度差导致它们的生长被限制。同时，随着热处理温度不断降低，SRX-2晶粒在低热能和残余相的协同作用下只能缓慢长大，这有助于晶粒组织的细化。

总之，在高温连续降温退火过程中，较高的起始温度提升了再结晶形核速率，而降温初期大量的相以及不断降低的温度值降低了晶粒的生长速率，使得相的溶解行为、再结晶晶粒的形核以及长大行为可以很好地协同，最终将晶粒组织细化至12级。

3 热处理后的力学性能分析

3.1 实验方案

为了测试镍基高温合金力学性能，在650 ℃的高温环境下进行了单轴拉伸实验，拉伸试样如图5所示。值得注意的是，拉伸实验前需对试样进行“标准双时效”处理以析出″相和′相来强化合金，具体的时效工艺为：（720±5）℃×8 h/炉冷（50 ℃/h）+（620± 5）℃×8 h/空冷[1—2]。

图5 拉伸试样的尺寸

3.2 高温强度和塑性

图6对比了DA工艺、变形以及连续降温热处理工艺对镍基高温合金性能的影响。从图6a可发现，经过连续降温热处理后，合金的屈服强度较DA工艺有了明显提高（提升13.4%）。同时，从图6b可以发现，与DA工艺，合金的塑性也有了一定程度的改善。这主要归因于晶粒组织的均匀细化对位错迁移阻碍作用的强化[19—23]。

粗晶粒的细化增加了晶界的总面积，从而加强了对位错滑移的阻碍作用，使塑性变形局限于小范围内。同时，晶粒细化也使得滑移带的长度变短，塑性变形可分散在更多的晶粒内，缓解了变形过程中的应力集中现象，这引起了强度的提高。值得注意的是，过于粗大晶粒的细化也将显著提高组织均匀性，组织均匀性的提高将使变形可在众多晶粒内部同步进行，多个晶粒之间变形相互协调配合，这有利于合金塑性性能的提高。

此外，颗粒状相对于合金的强化也有重要作用。由于相与基体呈非共格关系，位错通过时需要较大的临界剪切力，因此，当相在组织中以颗粒状或者短棒状均匀分布在晶界或者晶内时，其对位错有较强的钉扎作用，这也有利于合金强度的提高。

图6 不同工艺对合金高温（650 ℃）力学性能的影响

综上所述，连续降温热处理能够有效改善合金的力学性能。

3.3 合金的断裂机制

图7为镍基高温合金在单轴高温拉伸下的断口形貌。可以看出，拉伸断口处均存在许多的撕裂棱，并分布有一定数量的韧窝与孔洞。这表明所研究合金的断裂机制为微孔聚集型的剪切断裂，最终宏观表现为韧性断裂。

由图7还可以发现，一些断裂的相存在于韧窝与孔洞之中，这表明镍基高温合金在高温变形过程中的孔洞主要形核于相周围。这是由于相与基体并不共格，其会阻碍位错的滑移，导致位错堆积在相周围，造成了应力集中，这使得相断裂而产生微孔。同时，相为脆硬相，其强度较基体的强度高，因此基体与相界面分离也会形成微小孔洞。在塑性变形过程中，这些微孔不断聚集长大形成韧窝，再互相连接形成孔洞。

图7 镍基高温合金高温拉伸的断口形貌

4 结论

为了均匀细化镍基高温合金锻件中的混晶组织，设计并完成了双级退火处理工艺，包括低温相时效处理和随后的高温连续降温退火处理，获得的重要结论如下。

1）连续降温再结晶热处理工艺可以有效改善镍基高温合金锻件中的混晶状态，将晶粒组织细化至12级（平均晶粒尺寸为5.82 μm），并保证合理的相残余含量。

2）在连续降温热处理过程中，较高的起始温度可以有效提高形核速率，同时在连续降低的温度和组织中相的协同作用下晶粒生长速率降低，从而达到均匀细化混晶组织的目的。

3）连续降温热处理工艺能够有效改善合金的强度和塑性，效果超过了DA工艺，其中高温屈服强度较DA工艺提升了13.4%。

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Process for Refinement of Mixed Grain Microstructure of Deformed Ni-Based Superalloy for Bolts of Ultra Supercritical Generator Sets

CHEN Ming-song1, QIN Gang-hua2, LIN Yong-cheng1, MOU Wen-biao3, MA Yan-yong1, DU Jin-feng4,LOU Yu-min2, ZHAO Ning-ning2

(1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China; 2. Zhejiang Zheneng Technology Research Institute Co., Ltd., Hangzhou 310026, China; 3. Zhejiang Provincial Energy Group Company Ltd, Hangzhou 310007, China; 4. Csec Guohua Electric Power Research Institute Co., Ltd., (Beijing), Beijing 100018, China)

Eliminating the deformed mixed and coarse grains in a Ni-based superalloy is necessary to improve the mechanical properties. A two-stage annealing treatment including an aging treatment and a subsequent continuous-cooling annealing treatment was proposed. The effects of the proposed two-stage annealing treatment on the microstructures and high-temperature mechanical properties were investigated. Also, the grain refinement mechanism was discussed. The results show that the annealing treatment can increase the recrystallization nucleation rate, but reduce the growth rate of recrystallized grains. Thereby, a fine and uniform grain structure with the average grain size of 5.82μm (ASTM12) was obtained. Moreover, the yield strength is increased by 13.4% compared with that of the sample treated by the traditional DA processing. Thus, the proposed two-stage annealing treatment can not only effectively refine deformed grains, but also improve mechanical properties of the hot deformed Ni-based alloy.

Ni-based superalloy; continuous-cooling recrystallization annealing treatment; grain refinement mechanism; mechanical properties

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.03.015

TG146

A

1674-6457(2021)03-0125-06

2021-04-29

国家自然科学基金（51775564，51975593）；湖南省科技人才托举工程（2020TJ-Q05）

陈明松（1982—），男，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为高品质金属零件的智能热制造技术及装备研发。

蔺永诚（1976—），男，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为高品质金属零件的智能热制造技术及装备研发。