镍基Nimonic105合金的热处理工艺优化

Nimonic105合金是美国“760-USC计划”和欧盟“AD700项目”推荐叶片用候选材料之一，950℃范围内具有高抗氧化性和高抗蠕变性。现欲将其用作国产700℃及以上参数火电汽轮机叶片候选材料。目前对于Nimonic105合金应用于700℃参数及以上的长期服役部件的相关研究较少。Nimonic105合金为γ'相沉淀强化合金，由于Al含量和C含量较高，使得其经热处理后具有较多沉淀强化相γ'相以及碳化物的析出，导致其具有较高的高温强度和持久蠕变强度，同时该合金经过标准热处理后的塑、韧性极差，特别是韧性，冲击功不到10J。由于Nimonic105等镍基合金在长期服役过程中，随着γ'相和M23C6等析出相的析出量增加以及长大、粗化，塑性和韧性逐渐降低，所以提高材料的初始塑性和韧性具有重要意义。

科研人员通过调整热处理工艺牺牲合金部分强度来提高其塑性和韧性，以保证合金具有足够的塑性、韧性储备，满足长期服役过程中的使用要求，避免在试验过程中发生突然脆断。

试验材料为某钢厂提供的采用真空感应+真空自耗方法按标准成分冶炼的Nimonic105合金，交货状态为：热轧态后切削加工成的Φ45mm×2000～3000mm的棒材。组织为均匀、等轴奥氏体组织，只有少量极细小的颗粒氧化物夹杂（D类细系0.5级），冶炼质量较好。试验料的成分（质量分数，%）为：C0.151，Cr15.02，Ti1.30，Al4.70，Co20.36，Mo5.02，B0.007，Cu0.07，Zr0.12，Mn0.02，Si0.06，Fe0.11，Ni余量。

运用Thermo-calc软件对Nimonic105合金的热力学平衡相相图进行了模拟计算，计算参数为:压强为1.01325×105Pa，温度计算范围为400～1200℃，分析了不同温度下的平衡析出相特点。标准热处理工艺为1150℃×4h，AC+1060～1065℃×16h，AC+850℃×16h，AC。对比研究了固溶后以及二次固溶后采用不同冷却方式和不同热处理工艺对Nimonic105合金力学性能的影响，对经不同热处理后的试验料进行了显微组织观察以及析出相的定性与化学定量分析。

研究结果表明：只采用固溶处理（单固溶或双固溶）可有效提升Nimonic105合金的室温冲击韧性，且固溶处理后，冷速越快对合金韧性的提升越大；γ'相可提高Nimonic105合金的室、高温屈服强度；M23C6相仅能提高Nimonic105合金的高温抗拉强度和高温塑性，对Nimonic105合金的室温抗拉强度和室、高温屈服强度的影响不大，而且晶界大量析出的M23C6相是Nimonic105合金冲击韧性下降的主要原因；只进行双固溶处理后可获得12%的γ'相和2.5%的M23C6相，使Nimonic105合金具有较好的室、高温强度，同时保证了其塑性和冲击韧性仍处于较高的水平；Nimonic105合金的优化热处理工艺为1150℃×4h水冷+1065℃×2h水冷，对于大型部件冷却方式可考虑选用油冷。