Inconel 740H蠕变过程中晶界M23C6的粗化行为

党莹樱，赵新宝，尹宏飞，杨 征，谷月峰

(1.西安热工研究院有限公司，西安 710032；2.西北工业大学 凝固技术国家重点实验室，西安 710072)

Inconel 740H蠕变过程中晶界M23C6的粗化行为

党莹樱1,2，赵新宝1，尹宏飞1，杨 征1，谷月峰1

(1.西安热工研究院有限公司，西安 710032；2.西北工业大学 凝固技术国家重点实验室，西安 710072)

为了解700 ℃超临界电站锅炉过/再热器用主要候选材料Inconel 740H晶界M23C6相在蠕变过程中的粗化行为，对通过真空感应熔炼和真空电弧重熔双联工艺制备的合金，在750 ℃/200 MPa条件下分别开展蠕变中断与蠕变断裂试验，并利用扫描电镜、透射电镜、能谱分析仪等测试方法对晶界M23C6相进行表征.采用Image-Pro Plus软件对相参量进行定量统计，进而分析其变化趋势.研究表明：在所研究温度、应力及时间范围内，随着蠕变时间的延长，晶界富Cr的M23C6相逐渐由粒状、短棒状发展成为长条、半连续的链状分布；粒子沿平行于晶界方向的长大速率明显高于沿垂直于晶界方向的长大速率，但二者的粗化均表现出尺寸三次方与时间之间呈线性关系的规律；相数量的增加与蠕变时间亦呈线性关系；与尺寸的粗化相比，相数量的增长较为缓慢，外加应力在一定程度上促进了M23C6的析出.

Inconel 740H；蠕变；晶界；M23C6；相参量

Inconel 740H(以下简称为In 740H)是美国特殊金属公司(Special Metals Corporation)为700 ℃超超临界燃煤电站过 / 再热器等高温部件开发的一种新型镍-钴基高温合金[1-2].合金的标准热处理制度为高温固溶+中温时效，经标准热处理制备的合金中除奥氏体基体γ及主要强化相γ′-Ni3Al外，主要存在两类第二相，MC及M23C6[3].其中，MC多为从液态合金中直接析出的一次碳化物，其化学组成为(Ti,Nb)C.因Ti、Nb与C的化学亲和力强，且不易扩散，故此类型碳化物在长期时效 / 蠕变过程中难以聚集长大.M23C6是在中温时效过程中析出的二次碳化物.该相在奥氏体基体中的析出首先发生在能量最高的界面即不规则晶界，其次在一些特殊的有规律的界面如非共格孪晶，最后才在晶内等无畸变区域析出[4].与稳定的一次碳化物相比，二次碳化物，特别是沿晶界析出的碳化物，其形貌、尺寸及分布特征在材料蠕变变形和断裂中起着重要作用[5].

本文主要对In 740H进行蠕变性能测试，研究在该过程中晶界M23C6相的演变规律，以期为合金长时组织稳定性的分析及持久 / 服役寿命的评估提供理论依据.

1 试 验

试验用In 740H合金采用真空感应炉冶炼+真空电弧重熔双联工艺冶炼，经均匀化处理，开坯及热挤压后，得到外径尺寸为50.8 mm，壁厚8 mm的管材，其化学成分(质量分数，%)为：C 0.03，Si 0.05，Mn 0.02，P 0.005，S 0.002，Cr 24.50，Co 20.35，Al 1.47，Ti 1.27，Nb 1.26，Mo 0.30，Fe 0.10，Cu 0.02，Ni余量.所有试样经1 150 ℃保温30 min固溶处理(水淬)后在800 ℃进行时长16 h的中温时效处理(空冷).

根据GB/T 2039—2012标准[6]，将试样机械加工成标距长度30 mm的板状持久试样(见图1)，在750 ℃ / 200 MPa条件下分别开展蠕变中断及蠕变断裂试验，其中，蠕变中断时长为3 000 h，蠕变断裂时长为5 879 h.试验结束后，沿垂直于应力轴的方向在试样标距段内取样，利用Hitachi S4800型冷场发射高分辨扫描电子显微镜及配有能谱的JEM-3010型透射电子显微镜观察不同状态下试样的显微组织，并对合金相组成进行测定.透射试样采用电解双喷的方法制备，电解液为10%的高氯酸+90%的乙醇，减薄条件为： -15～-10 ℃，电压20 V.利用Image Pro Plus软件对析出相的尺寸、数量等进行定量分析，其中M23C6的尺寸度量是以超过100个该种类型的沉淀相粒子的最大横向/纵向尺寸的加权平均值作为被测相在该方向的平均尺寸；数量度量是以5个同倍数、不同视场条件下晶界处M23C6面积分数的加权平均值作为被测相的相对数量.

图1 持久试样示意图

2 结果与分析

2.1 形貌与分布

图2为合金经标准热处理及750 ℃/200 MPa条件下蠕变中断/断裂试验后三叉晶界处显微组织的二次电子像.

图2In740H经标准热处理及750℃/200MPa蠕变后晶界M23C6相的二次电子像

Fig.2 Secondary electron images of M23C6along grain boundaries of In 740H after standard heat treatment and long term creep at 750 ℃ ：(a) standard heat treatment; (b) 750 ℃/200 MPa/3 000 (un-ruptured); (c) 750 ℃/200 MPa/5 879 h (ruptured)

由图2可见，晶界有大量呈不连续分布的析出相存在.对标准热处理试样的基体及晶界析出相进行了TEM-EDS分析，结合已有对In 740H组织的研究[7]判断其为富Cr、Mo的M23C6(见图3及表1)，可以看出，合金经800 ℃中温时效处理后，M23C6沿晶界弥散析出，多呈颗粒状及短棒状；随着750 ℃条件下蠕变时间的不断延长，溶质原子更易在晶界附近偏聚，M23C6逐渐由短棒状发展成为长条、半连续的链状分布. Chong等人在对740H合金750 ℃/275、219 MPa条件下的持久性能进行分析时发现，晶界呈层状及网状分布的M23C6相会严重损害合金的持久性能[8].本文试验中并未发现上述形态M23C6相的存在，750 ℃/200 MPa条件下的持久寿命与文献报道值相当[9].

从图2还可以看出，随着蠕变时间的延长，M23C6多倾向于沿着晶界一侧析出、长大，这可由以下机制解释：由于晶界处原子排布的不规则具有很多“自由体积”，合金经合适的热处理后溶质或杂质原子会偏聚在晶界处，随机分布在晶界处多余的自由体积内.由于C与Cr之间强的相互作用，二者会结合进而形成化合物.因此，受晶界处偏聚的C原子作用，Cr原子也会向晶界处靠近，当晶界处某侧晶粒内有Cr原子靠近晶界时，又会对偏聚的C原子有相互作用，这样C原子又会向这侧晶粒迁移，使得Cr和C原子同时偏聚在晶界的一侧，进而形成碳化物并不断长大[10].

图3 In 740H热处理态试样晶界TEM形貌

Fig.3 TEM microstructure along grain boundaries of In 740H after standard heat treatment

表1In740H热处理态试样基体及晶界相成分

Table 1 Chemical composition of matrix and grain boundary precipitate of In 740H after standard heat treatment analyzed by TEM-EDS (w(B)/%)

位置AlSiTiCrCoNbMo基体1.101.571.2921.5717.121.800.37M23C60.650.670.8361.616.480.931.05

2.2 相尺寸

在镍基变形高温合金的长期使用过程中，碳化物在晶界的加厚和成膜往往是造成材料失效的主要因素之一[11-13]，因此,评定晶界析出相的粗化速率，即其尺寸随蠕变时间的变化趋势对于判断晶界的稳定性非常重要.

从图2及图3可以看出，在经过中温时效处理及长期蠕变处理后，晶界M23C6颗粒明显粗化，考虑到其形貌并非球状，因此,定义M23C6相沿垂直于晶界方向的最大尺寸为宽度，平行于晶界方向的最大尺寸为长度.利用Image Pro Plus软件对上述两个方向的尺寸分别进行测量、统计，获得的相尺寸分布梯度如图4所示.

图4 晶界M23C6相的尺寸分布

Fig.4 Size distribution of M23C6particles along grain boundaries: (a) length ： (b) width

由图4可见，随着蠕变时间的延长，M23C6相发生了明显的粗化，其中，长度方向的尺寸大于宽度方向的尺寸：在同等条件下，前者约为后者的2倍.此外，颗粒沿长度方向尺寸分布梯度较大，经5 879 h蠕变试验后，部分颗粒沿平行于晶界方向的尺寸已超过1.5 mm，宽度则基本保持在500 nm以内.图5显示了M23C6相平均尺寸随蠕变时间的变化趋势，可以看出，在所分析温度、应力、时间条件下，M23C6相颗粒尺寸的三次方与蠕变时间呈线性关系，其中，长度与宽度方向的粗化速率分别为3.26×10-23与3.00×10-24m3/h.对晶界M23C6相尺寸演变的研究表明，该相沿平行于晶界及垂直于晶界两个方向上的尺寸有较为明显的差异，因此，建议在利用Dictra等材料动力学软件模拟该类合金中M23C6相的长大规律时，不能简单地将其作为球状析出物进行处理[14-15].

图5 M23C6相平均尺寸三次方与蠕变时间的函数关系

Fig.5 The cube of M23C6average size as a function of creep time at 750 ℃

2.3 相数量

合金中析出相的定量测定通常采用电解萃取方法[16]获得，但该方法对原试样尺寸有一定要求，对于蠕变等小尺寸试样无法采用此方法获取足够量的析出相样本加以分析.因此，本文对晶界处M23C6面积分数进行了统计，分析其相对数量与蠕变时间的关系，结果如图6所示.

图6 M23C6相对数量与蠕变时间的函数关系

Fig.6 The relative phase amount of M23C6as a function of creep time at 750 ℃

从图6可以看出，随着蠕变时间的延长，M23C6相数量的增长与蠕变时间的延长呈线性关系，即析出速率基本保持不变.与相尺寸的粗化速率相比，相数量的增加较为缓慢.文献[17]报道了In 740H在750 ℃长期时效过程中各相的数量变化，指出随着时效时间的延长，M23C6相的数量逐渐增加，1 000 h以内增速较快，1 000 h后增速变缓，析出量趋于稳定.对时效与蠕变条件下该相数量的变化趋势的分析表明，外加应力在一定程度上加速了合金中M23C6相的析出.

3 结 论

In 740H在750 ℃/200 MPa条件下经长期蠕变后：M23C6相尺寸的三次方与时间呈线性关系，粒子沿平行于晶界与垂直于晶界方向的粗化速率分别为3.26×10-23与3.00×10-24m3/h；与相尺寸较快的粗化速率相比，相数量增加较为缓慢，其与蠕变时间亦呈线性函数关系，析出速率基本保持不变；高温下应力的作用加速了合金中M23C6相的析出.

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CoarseningbehaviorofgrainboundaryM23C6inInconel740Hduringcreep

DANG Yingying1,2，ZHAO Xinbao1，YIN Hongfei1，YANG Zheng1，GU Yuefeng1

(1.Thermal Power Research Institute Co. Ltd.，Xi′an710032，China ; 2.State Key Laboratory of Solidification Processing，Northwestern Polytechnical University，Xi′an 710072，China)

To understand the coarsening behavior of grain boundary M23C6in Inconel 740H, which is a new Ni-Co based superalloy developed for superheater/reheater of 700 ℃ ultra super-critical boiler, creep interrupted and creep rupture tests of the Inconel 740H obtained by vacuum melting and vacuum arc remelting were performed under the conditions of 750 ℃ and 200 MPa up to 3 000 and 5 879 h, respectively. The evolution of M23C6precipitates along grain boundaries were investigated as a function of creep time by SEM, TEM and EDS technologies and Image-Pro Plus software. The result shows that the M23C6phase of Cr-rich Cr is gradually grown from granular and short rods into long and semi-continuous chain-like distribution with the creep time prolonged in the studied temperature, stress and time range. The growth rate in the grain boundary direction is obviously higher than that in the direction perpendicular to the grain boundary direction, but the coarsening of the two shows the linear relationship between the cube of average size of M23C6particles and the creep time. Compared with the coarsening rate of phase size, the increasing of phase amount is relatively slow, and it also presents a linear relationship between the amount of phase and creep time. In addition, the applied stress can promote the precipitation of M23C6to a certain extent.

Inconel 740H；creep；grain boundary；M23C6；phase parameter

2016-12-16. < class="emphasis_bold">网络出版时间

时间: 2017-10-19.

国家自然基金资助项目(51401164)；凝固技术国家重点实验室(西北工业大学)博士后基金项目(14-BZ-2015).

党莹樱(1986—)，女，高级工程师，工学博士.

党莹樱，E-mail：dyy1630@126.com.

10.11951/j.issn.1005-0299.20160448

TG11

A

1005-0299(2017)06-0022-05

(编辑吕雪梅)