鎳基Nimonic105合金的熱處理工藝優化

Nimonic105合金是美國“760-USC計劃”和歐盟“AD700項目”推薦葉片用候選材料之一，950℃范圍內具有高抗氧化性和高抗蠕變性。現欲將其用作國產700℃及以上參數火電汽輪機葉片候選材料。

目前對于Nimonic105合金應用于700℃參數及以上的長期服役部件的相關研究較少。Nimonic105合金為γ’相沉淀強化合金，由于Al含量和C含量較高，使得其經熱處理后具有較多沉淀強化相γ’相以及碳化物的析出，導致其具有較高的高溫強度和持久蠕變強度，同時該合金經過標準熱處理后的塑、韌性極差，特別是韌性，沖擊功不到10J。由于Nimonic105等鎳基合金在長期服役過程中，隨著γ’相和M23C6等析出相的析出量增加以及長大、粗化，塑性和韌性逐漸降低，所以提高材料的初始塑性和韌性具有重要意義。

科研人員通過調整熱處理工藝犧牲合金部分強度來提高其塑性和韌性，以保證合金具有足夠的塑性、韌性儲備，滿足長期服役過程中的使用要求，避免在試驗過程中發生突然脆斷。

試驗材料為某鋼廠提供的采用真空感應+真空自耗方法按標準成分冶煉的Nimonic105合金，交貨狀態為：熱軋態后切削加工成的Φ45mm×2000～3000mm的棒材。組織為均勻、等軸奧氏體組織，只有少量極細小的顆粒氧化物夾雜（D類細系0.5級），冶煉質量較好。試驗料的成分（質量分數，%）為：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。

運用Thermo-calc軟件對Nimonic105合金的熱力學平衡相相圖進行了模擬計算，計算參數為:壓強為1.01325×105Pa，溫度計算范圍為400～1200℃，分析了不同溫度下的平衡析出相特點。標準熱處理工藝為1150℃×4h，AC+1060～1065℃×16h，AC+850℃×16h，AC。對比研究了固溶后以及二次固溶后采用不同冷卻方式和不同熱處理工藝對Nimonic105合金力學性能的影響，對經不同熱處理后的試驗料進行了顯微組織觀察以及析出相的定性與化學定量分析。

研究結果表明：只采用固溶處理（單固溶或雙固溶）可有效提升Nimonic105合金的室溫沖擊韌性，且固溶處理后，冷速越快對合金韌性的提升越大；γ’相可提高Nimonic105合金的室、高溫屈服強度；M23C6相僅能提高Nimonic105合金的高溫抗拉強度和高溫塑性，對Nimonic105合金的室溫抗拉強度和室、高溫屈服強度的影響不大，而且晶界大量析出的M23C6相是Nimonic105合金沖擊韌性下降的主要原因；只進行雙固溶處理后可獲得12%的γ’相和2.5%的M23C6相，使Nimonic105合金具有較好的室、高溫強度，同時保證了其塑性和沖擊韌性仍處于較高的水平；Nimonic105合金的優化熱處理工藝為1150℃×4h水冷+1065℃×2h水冷，對于大型部件冷卻方式可考慮選用油冷。