固溶温度对Ni-Cr-AI基高温合金组织和性能的影响规律

本文研究了一种新型蜂窝封严材料的静态再结晶行为及固溶温度对合金晶粒长大倾向和力学性能的影响规律。结果表明，在950℃时合金开始发生再结晶，随温度的升高，晶粒逐渐长大，碳化物逐渐溶解，合金的强度和硬度降低，塑性提高；固溶温度在1050℃时基体基本完成再结晶；在1120℃时，晶粒为完全等轴晶，合金的第二相基本完全溶解，硬度较低，此后随温度升高到1150℃，合金晶粒组织和硬度变化不大。当温度超过1180℃时，晶粒开始较快长大并粗化，强度迅速降低。研究结果表明在1120-1150℃进行固溶处理合金可以获得较好的组织和综合力学性能。

关键词：高温合金；固溶温度；静态再结晶；晶粒长大；力学性能

金属蜂窝封严结构件主要用于发动机旋转与静止部件之间，减少漏气，实现气流的密封，提高效率和降低能耗，作为篦齿密封潜在的替代品被广泛地应用于航空结构件中。由于金属蜂窝结构件多在高温高压差和腐蚀性气体冲刷等恶劣复杂条件下服役，因此要求制造蜂窝密封用高温合金箔带材必须具备良好的耐高温、抗氧化和耐腐蚀能力。

Haynes214合金，是一种Ni-Cr-Al基时效强化型镍基高温合金，具有非常优异的高温抗氧化、硫化和热腐蚀能力，使用温度在955℃以上。该合金含有高达4.5wt.%Al，使用过程中会在合金表面形成一层致密的Al2O3氧化膜，因而合金在1200℃以上仍然具有较好的抗氧化能力，短期使用温度可达1315℃，非常适于制作高性能金属蜂窝结构件，在国外已经成熟应用。但是，目前国内尚未开展该合金箔带材的相关研究工作。针对以上背景，本文研究了不同热处理温度对该合金冷轧板组织和性能的影响规律，并根据这些规律确定了Haynes214合金合适的固溶处理温度范围。

1 实验材料和方法

实验用Haynes214合金采用真空感应炉 电渣重熔双联工艺冶炼，经热轧和1120℃/1h固溶处理后冷轧至2.5mm厚板材。实验合金的化学成分如表1所示。从冷轧态板材上截取10mm*10mm*2.5mm样品，将样品在850-1180℃范围内进行热处理，保温时间均为15min，水淬快冷。

表1 实验用料化学成分

2 实验结果与讨论

2.1 合金的热力学平衡相图

图1为Haynes214合金热力学模拟平衡结果。合金的初熔温度是1351℃，终熔温度是1400℃，其中，940℃以下开始析出γ’相。由于本文实验用试样在冷轧前经过了1120℃/1h固溶处理，此温度下γ’相已经回溶，而后在850-1180℃范围内热处理的试样，由于保温时间较短，只有15min，因此未发现γ’相析出，图2验证了这一点。合金晶界碳化物在不同温度区间内主要分为三类，在800℃以下主要析出M23C6相，在870-1080℃析出MC相，而M7C3相的析出温度范围是800-1210℃。

如图2所示，合金经固溶处理后发生了再结晶，在晶界和晶内只有极少量碳化物存在。表2为采用SEM-EDS分析的碳化物成分。EDS能谱分析结果表明，原始冷轧态组织中残留部分富含Cr的M7C3和富Zr的MC碳化物；850℃时第二相主要为富Cr的M7C3和富Zr的MC，未观察到γ’相存在；1050℃时第二相只有极少量的MC存在；而经1180℃固溶处理后碳化物几乎全部回溶，合金组织为单相奥氏体组织。

表2 碳化物SEM-EDS分析结果

2.2 热处理对合金组织的影响

厚度2.5mm冷轧板在不同固溶温度保温15min水淬后，基体将发生回复和再结晶。表3是Haynes214合金不同温度固溶处理后基体的回复再结晶情况。图3是Haynes214合金在不同温度热处理保温15min水淬后的金相照片。由表3和图3可知，随着固溶温度的升高，冷板板材的显微组织发生了三个阶段的演变。第一个阶段在低于1050℃内，冷轧板材在950℃开始发生静态再结晶，之后再结晶程度逐渐提高，到1050℃再结晶全部完成。第二个阶段是1080-1150℃温度范围内，合金板材都具有完全的等轴晶组织。随着温度升高，其显微组织演变主要表现为再结晶后的晶粒长大过程。第三个阶段是高于1180℃，晶粒开始异常长大，出现“大晶粒吃小晶粒”现象，晶粒组织极不均匀，板材硬度也大幅下降。

表3 Haynes214合金不同温度固溶处理后基体回复再结晶情况

由上述分析结果可知，冷轧板材在1050℃固溶后就可以达到消除冷变形组织，软化基体的目的，因此板材的固溶处理温度可以选择在1050℃以上。从晶粒尺寸来看，板材在1120-1150℃内固溶处理可以获得7.5级左右的稳定晶粒组织。

2.3 热处理温度对力学性能的影响

图4是Haynes214冷轧板材在不同温度热处理后的室温拉伸性能和硬度。可见，在850-1050℃，随温度升高，抗拉强度、屈服强度、硬度显著下降，伸长率显著提高；继续升高温度，在1050-1180℃，随温度升高，硬度、抗拉强度、屈服强度缓慢下降，伸长率缓慢升高。

随温度升高，基体发生回复再结晶，在850-1050℃内，再结晶现象明显，等轴晶数量显著增多，加工硬化现象减弱，基体得到软化，表现为合金强度和硬度均降低。在1050-1180℃范围内，随温度升高，晶粒发生长大，在1120-1150℃长大趋势尤为明显。根据细晶强化原理，细晶粒受到外力发生塑性变形可以分散在更多的晶粒内，塑性变形较均匀，应力集中较小；此外，晶粒越细小，晶界面积越大，晶界越曲折，越不利于裂纹的扩展，因此在常温下细晶粒合金比粗晶粒合金具有更高的强度、硬度。在1050-1180℃范围内晶粒长大是合金强度和硬度下降的原因之一。

3 结论

在本实验条件下Haynes214合金的再结晶开始温度为950℃，完全再结晶温度为1050℃。在1080-1150℃温度范围内，随温度升高，合金再结晶晶粒增大，高于1150℃晶粒异常长大。随固溶温度升高，合金室温强度、硬度降低，塑性提高。对于本实验中2.5mm厚冷轧板，固溶温度在1120-1150℃范围内综合性能最佳，晶粒度比较理想。