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鎳基合金(Incoloy 800H NO8800)合金化學(xué)成分材質(zhì)與金屬結(jié)構(gòu)特征
發(fā)布者：江蘇涌華金屬科技有限公司 閱讀：504次
ncoloy 800合金屬于鐵—鎳一鉻合金，具有良好的耐腐蝕性能和抗氧化性能，在常溫和高溫下都有高的抗張強(qiáng)度和高的蠕變破斷強(qiáng)度。廣泛應(yīng)用于鍋爐設(shè)備、水蒸汽高塔設(shè)備的壓氣管和合成氨輸出壓力管以及家庭炊具等。已發(fā)展成為一個(gè)系列Incoloy 800合金，主要分類由表1給出。
Incoloy 800合金是Fe-Cr-Ni基合金，Bcadley提供Fe-Cr-Ni三元平衡相圖(見圖
。由圖可以看出800合金是完全奧氏體組織，γ和γ+o相之間界線，隨溫度下降向著標(biāo)定800合金(成分范圍移動(dòng)。由于成分偏析或沉淀，鋼的標(biāo)定成分有微量變更，會(huì)引起相界線的變化。例如：Ni;(Al,Ti)的析出，將降低基體的含鎳量，改變基體的成分。成分控制中應(yīng)注意用電子控位數(shù)來(lái)控制a相的析出，由公式(1)計(jì)算得出表2數(shù)據(jù)：△Niv=Ni-3Ti-3.5A1-1.7Si-0.9Cr-4.7
當(dāng)△Niy<0時(shí)， 產(chǎn)生σ相。
由表2的數(shù)據(jù)可以看出△Niy>4.78,遠(yuǎn)遠(yuǎn)離開產(chǎn)生σ相的可能性，因此在一般使用中無(wú)需擔(dān)心 相的出現(xiàn)。
2.2 碳
鈦和鉻是一對(duì)很強(qiáng)的碳化物形成元素。鈦和碳的親合力比鉻和碳的親合力強(qiáng)，因此在平衡狀態(tài)下，TiC首先析出而不是M23C6。
碳和鈦有密切的關(guān)系，鈦增加耐腐蝕性能，減少基體中固溶碳。800合金采用高的Ti/C比率，對(duì)于低碳800合金Ti/C=12～20;對(duì)高碳800HTi/C=4最佳。這種比率下碳主要被碳化物TiC所穩(wěn)定。我廠生產(chǎn)的GH800H合金Ti/C比率在5～7之間。碳對(duì)控制熱處理期間的晶粒度大小也起重要作用，同時(shí)對(duì)機(jī)械性能有好的作用。
2.3 鋁和鈦
800合金是一種時(shí)效硬化型合金，以γ為強(qiáng)化基體。800合金同鎳基合金一樣，隨Al和Ti的含量增加，Y[Ni₃(Al,Ti)]析出量也增加。Y的析出對(duì)蠕變強(qiáng)度有利而對(duì)韌性有所損害。為滿足時(shí)效強(qiáng)化的作用，對(duì)A1+Ti%的百分比含量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，由大量的國(guó)內(nèi)外資料介紹：Al+Ti%之和最小含量為0.5%,而最大含量為1%。在此范圍內(nèi)蠕變強(qiáng)度和韌性都比較理想。而超過(guò)1.0%含量，使一次TiC的塊狀增加，對(duì)性能有不利影響。
鋁和鈦都是增加蠕變強(qiáng)度的重要元素，Al在增加蠕變破斷強(qiáng)度的作用比鈦小，而在降低韌性A1比Ti更強(qiáng)。因此要獲得最佳的強(qiáng)度和韌性，須選擇低鋁高鈦。
3 顯微結(jié)構(gòu)特征
3.1 晶粒度
晶粒度問(wèn)題對(duì)于800合金是一主要問(wèn)題。在美國(guó)ASTM標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)調(diào)晶粒度為2～5級(jí)，這是因?yàn)榫Я６鹊某叽鐚?duì)蠕變性能有直接的影響。
3.1.1熱處理制度的影響
同一般不銹鋼一樣Incoloy 800合金的晶粒度隨著固溶溫度的升高，晶粒尺寸明顯的增大，但不是簡(jiǎn)單的直接關(guān)系(如圖2)。我們進(jìn)行固溶溫度與晶粒度之間關(guān)系的實(shí)驗(yàn)證實(shí)：Incoloy 800H晶粒度的粗化溫度在1130℃～1140℃之間，保溫在3h以上晶粒明顯粗化。
3.1.2 鈦和碳含量的影響
在Incoloy 800合金中鈦是以TiC的形式作為強(qiáng)化相，TiC質(zhì)點(diǎn)的分布形式直接影響晶粒尺寸。
碳含量的不同，決定析出TiC的量的不同。晶粒臨界粗化溫度不同。由圖2可以看出對(duì)于低碳800合金粗化溫度為980℃;800H粗化溫度為1150℃。在臨界粗化以上晶粒迅速長(zhǎng)大。
3.1.3 晶粒度與蠕變性能的關(guān)系
Incoloy 800合金高溫蠕變(持久性能)是主要的性能指標(biāo)，要求33MPa應(yīng)力下斷裂時(shí)間超過(guò)1000h。在許多情況下粗晶粒材料比細(xì)晶粒材料的蠕變率低，而應(yīng)變一斷裂強(qiáng)度則高。一個(gè)簡(jiǎn)單化的解釋就是，與細(xì)晶粒材料相比，粗晶粒材料可供晶界滑動(dòng)的晶界總面積較小。在若干種合金中都已觀察到了產(chǎn)生最大蠕變抗力的最佳晶粒度(如圖3所示),晶粒的大小如果超出此臨界值，穩(wěn)態(tài)蠕變率就會(huì)上升。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM對(duì)Incoloy800H合金要求晶粒度2～5級(jí)，晶粒直徑為(1.8×10-²cm～0.62×10-²cm)正處于最佳晶粒度，保證最小蠕變率。
3.1.3晶粒度與蠕變性能的關(guān)系
Incoloy 800合金高溫蠕變(持久性能)是主要的性能指標(biāo)，要求33MPa應(yīng)力下斷裂時(shí)間超過(guò)1000h。在許多情況下粗晶粒材料比細(xì)晶粒材料的蠕變率低，而應(yīng)變一斷裂強(qiáng)度則高。一個(gè)簡(jiǎn)單化的解釋就是，與細(xì)晶粒材料相比，粗晶粒材料可供晶界滑動(dòng)的晶界總面積較小。在若干種合金中都已觀察到了產(chǎn)生最大蠕變抗力的最佳晶粒度(如圖3所示),晶粒的大小如果超出此臨界值，穩(wěn)態(tài)蠕變率就會(huì)上升。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM對(duì)Incoloy800H合金要求晶粒度2～5級(jí)，晶粒直徑為(1.8×10-²cm～0.62×10-²cm)正處于最佳晶粒度，保證最小蠕變率。帕克提出，晶粒度對(duì)蠕變率的影響主要是由于不同的晶粒粗化處理所造成的晶界結(jié)構(gòu)改變。高溫蠕變?nèi)Q于位錯(cuò)攀移�？瘴粩U(kuò)散沿高能量晶界進(jìn)行比通過(guò)整體點(diǎn)陣的速度要快。細(xì)晶材料具有許多高能量晶界，因此空位在其中擴(kuò)散迅速，蠕變率也高。當(dāng)同樣的材料被加熱到高溫而晶粒粗化的時(shí)候，由于晶粒生長(zhǎng)，大部分高能量晶界消失了，而且主要留下空位擴(kuò)散相對(duì)緩慢的低能量晶界。因此，在粗晶材料中位錯(cuò)攀移緩慢，因而蠕變率也較低。
在我們的實(shí)驗(yàn)中(見表3)也完全證實(shí)Incoloy 800H合金晶粒度在2～5級(jí)晶粒度下蠕變壽命(應(yīng)力33MPa)≥1000h。
3.2 800合金的析出相
.800合金主要的析出相有六種：Cr23C6、[MTi]C、TiC(N)、TiN、Y相，Ni₃(Al.Ti)Cx。
3.2.1 碳化物沉淀相
如前所述800合金主要的碳化物相CrzsC和TiC。這兩種相在使用過(guò)程(300℃～850℃),碳化物不斷析出(見圖4)。
TiC比M₂₃C₆穩(wěn)定。但是H₂₃C₆在使用溫度下析出較多，這是因?yàn)樗休^大的動(dòng)能。M₂3C₆可以迅速在晶界、孿晶界析出，起到強(qiáng)化晶界的作用。偶然也有在晶內(nèi)析出，有時(shí)在晶界處有塊狀M₃Cs,這樣會(huì)在基體附近產(chǎn)生貧鉻區(qū)降低腐蝕性能。但因?yàn)?/span>800合金Ti/C比率高，晶粒比較細(xì)，800H晶粒度2～5級(jí)對(duì)自身消除貧鉻區(qū)擴(kuò)散有利，在這一點(diǎn)，800合金比800H合金消除自身貧鉻本能要強(qiáng)一些。
TiC作為800合金中主要的碳化物相，在時(shí)效強(qiáng)化中起主要作用。TiC是阻碼晶粒長(zhǎng)大起主要作用。但如果過(guò)剩的鈦，形成大塊一次TiC,并不一定起到好效果。
由圖4可以看出MzC6和TiC的析出和溶解與Y'不同。Incoloy 800合金是以Y為時(shí)效強(qiáng)化合金。但在Y被溶解后，碳化物強(qiáng)化效果可以顯示出來(lái)。有人專門作實(shí)驗(yàn)介紹800H合金中，由MzsC₅析出晶界可增加屈服強(qiáng)度為100MPa,而基體Y析出增加屈服強(qiáng)度為50MPa,在晶界析出對(duì)屈服影響較小。
3.2.2 Y相的析出
800合金中加入Al和Ti與Ni起反應(yīng)形成金屬間化合物Ni₈(Al,Ti)。Y屬于面心結(jié)構(gòu)，析出在奧氏體基體中，屬顯微基體強(qiáng)化。雖然800合金中鋁和鈦含量較低，Y析出自分率也較低，但對(duì)高溫性能影響很大。Y在基體均勻的析出，而且是穩(wěn)定的。Y在大約600℃迅速形成。材料在550℃～750℃使用中可以觀察到，在長(zhǎng)期時(shí)效過(guò)程中γ質(zhì)點(diǎn)長(zhǎng)大非常緩慢，大小約40～50毫微米。這種Y質(zhì)點(diǎn)切割位錯(cuò)比碳化物強(qiáng)化效果更為顯著。
Y對(duì)蠕變性能量和抗張性能的影響，主要在650℃左右，使強(qiáng)度增加，韌性下降。
在800℃以上，高溫孀變性能及抗張強(qiáng)度主要是碳化物起著強(qiáng)化作用。
4結(jié)論
(4.1）只要Ni、Cr、Ti和Al含量控制得當(dāng)，使Ni當(dāng)量(△Niy=Ni-3Ti-3.5Al-1.7Si-
0.9Cr-4.7)<0,800合金在使用中一般不會(huì)出現(xiàn)σ相；
(4.2) 控制Ti/C=5～7,(Al+Ti)含量=0.8～1.0%,且低A1高Ti,800合金可獲得最佳
的綜合性能；
(4.3)800合金的晶粒度在2～5級(jí)，具有最佳的抗蠕變性能。
(4.4) 相[Ni₃(A1,Ti)]是800合金的主強(qiáng)化相，它在600～650℃下析出速度快，在800℃以下都較穩(wěn)定。
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