固溶熱處理對GH3535合金組織和性能的影響
熔鹽堆(moltensaltreactor,MSR)因其固有的本征安全性和高的熱效率等優(yōu)點受到越來越多研究者的關(guān)注。在熔鹽堆中,包括壓力容器、熱交換管等在內(nèi)的結(jié)構(gòu)材料處于熔鹽腐蝕、高溫和輻照交互作用的苛刻環(huán)境之下,因此結(jié)構(gòu)材料是熔鹽堆研發(fā)過程中的一個非常突出的技術(shù)難題。20世紀(jì)60年代橡樹嶺國家實驗室專門為熔鹽堆研發(fā)過一種固溶強(qiáng)化的Ni-17Mo-7Cr基高溫合金(HastelloyN/GH3535),該合金能夠基本滿足熔鹽堆結(jié)構(gòu)材料在抗熔鹽腐蝕和強(qiáng)度方面的要求。
眾多研究發(fā)現(xiàn)該系列合金的性能與合金中的晶粒尺寸和碳化物數(shù)量密切相關(guān),控制合金的晶粒尺寸和M6C碳化物的數(shù)量對合金性能至關(guān)重要。改變合金中Si、C等元素可以調(diào)整合金的晶粒尺寸和M6C碳化物的數(shù)量。然而固溶熱處理可以在不改變合金成分的前提下實現(xiàn)上述目標(biāo),以達(dá)到合金性能的優(yōu)化。因此,科研人員以熱軋態(tài)GH3535合金作為合金對象,系統(tǒng)地研究不同的固溶熱處理溫度和時間對GH3535合金組織和性能的影響。
研究中用GH3535合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)為:Ni70.56,Mo17.34,Cr7.01,F(xiàn)e3.92,Mn0.6,Si0.45,Al0.021,Ti0.002,Co0.004,C0.055。該合金采用真空感應(yīng)熔煉成20kg的鑄錠。將鑄錠鍛造成30mm×30mm矩形截面的棒材,然后再軋成直徑16mm的圓棒材。對熱軋態(tài)合金進(jìn)行固溶熱處理,條件分別為1177℃,20min;1177℃,40min;1177℃,60min;1220℃,40min和1260℃,40min。固溶處理過程是先將爐溫升至目標(biāo)溫度,隨后放入試樣,保溫預(yù)定時間后,取出樣品進(jìn)行水淬。對固溶熱處理后的樣品進(jìn)行金相制樣,利用AZtec分析軟件對EBSD數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,以獲得合金組織中的M6C碳化物的面積分?jǐn)?shù)和晶粒尺寸,并進(jìn)行性能測試。試驗結(jié)果如下:
(1)熱軋態(tài)GH3535合金經(jīng)過固溶熱處理后碳化物數(shù)量與晶粒尺寸同時發(fā)生變化,碳化物抑制晶粒長大。隨著固溶溫度從1177℃增加到1260℃,晶粒尺寸顯著增加,碳化物數(shù)量顯著減少并由鏈狀分布轉(zhuǎn)為彌散分布;在固溶溫度1177℃隨著保溫時間20min增加到60min,在20min前合金發(fā)生完全再結(jié)晶,碳化物數(shù)量沒有明顯變化,超過40min后晶粒尺寸沒有顯著改變,但碳化物數(shù)量開始減少。
(2)合金的硬度和拉伸強(qiáng)度在1177℃隨著保溫時間增加而降低,保溫20min后其隨保溫時間變化趨于平緩;隨著固溶處理溫度從1177℃增加到1260℃,合金的硬度和抗拉強(qiáng)度逐漸降低。
(3)晶粒尺寸和碳化物數(shù)量協(xié)同影響合金斷裂延伸率。合金延伸率在1177℃隨著保溫時間增加而增加,保溫40min后其隨保溫時間變化趨于平緩;隨著固溶處理溫度從1177℃增加到1260℃,合金的延伸率逐漸增加。