一种新型Ni-Fe-Cr基变形合金成分及热处理制度优化研究

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本文研究了一种新型固溶强化型镍铁基变形高温合金,研制应用目标为第四代核反应堆动导管装置。该合金研制标准为具备良好的塑性和高温强度。进而在前期研究基础上,增加合金中C元素含量并添加Nb元素形成MC碳化物以提高合金高温条件下的组织稳定性,进而避免合金渗铬过程中出现晶粒过度粗化。同时为了防止过多的碳化物对合金性能产生消极影响,需探究C、Nb元素的最佳含量范围。此外,结合实际生产过程,对合金管材热处理制度进行优化,并讨论渗铬温度和时间对合金组织的影响。本文通过扫描电镜、电子背散射衍射技术,系统的研究了C含量(0.01wt%、0.031 wt%、0.053 wt%、0.076 wt%)、Nb含量(0wt%、0.25 wt%、0.51 wt%、1 wt%)、热处理及渗铬条件对实验合金组织性能的影响。主要结果如下:实验结果表明,对于热轧后固溶处理的合金,随着C含量的提高,其组织中MC型碳化物及M23C6型碳化物析出的体积分数增大,MC型碳化物的溶解温度升高,而M23C6型碳化物溶解温度变化不大。材料的晶粒尺寸、孪晶界的数量随着碳含量的提高而减小。由于碳含量的提升有利于晶粒的细化,这不仅提高了材料的强度,还提升了材料塑性变形的协调性从而赋予材料良好的高温塑性。当C含量为0.076wt%时,材料具有最佳的强塑性匹配。Nb元素的增加会抑制M23C6型碳化物的析出并降低其溶解温度,同时会促进MC型碳化物析出并提高其溶解温度。对于热轧后固溶处理的合金,随着Nb含量的增加,MC型碳化物的面积分数增加,晶粒尺寸呈现先增加后减小的趋势。Nb含量的增加对材料强度影响不大,但会降低材料的塑性。当Nb含量为0.25wt%时,材料的晶粒尺寸最均匀,强塑性匹配最佳。热挤压态合金的固溶处理会对晶界碳化物的溶解析出行为、晶粒尺寸及组织的均匀性造成影响。随着固溶处理温度的升高及固溶保温时间的延长,晶界碳化物将发生溶解,晶粒尺寸逐渐长大,显微组织的均匀性提高。在1080℃固溶处理60 min后,材料的塑性达到峰值,而在1080℃固溶处理30 min后,材料的强度达到峰值。综合考虑合金固溶处理后的强度塑性匹配,其最佳固溶处理工艺为在1080℃保温30 min后,空冷至室温。探究渗铬温度和渗铬时间对C元素含量为0.076wt%,Nb元素含量为0.25wt%的合金组织与性能的影响。为抑制渗铬过程中组织的粗化,渗铬温度应低于1150℃,渗铬时间不宜超过60 h。以热挤压态合金管为研究对象,在1100℃保温30 h,模拟其显微组织在渗铬过程中的演变。结果表明虽然合金管壁外侧出现一层3 mm左右的粗晶层,但是管壁内部的组织未发生明显粗化,材料的力学性能下降幅度不大。
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