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摘 要:本文通过一系列实验研究了Φ530mm NS 3306合金电渣锭的组织,以及热处理对其组织性能的影响。结果表明,除了基体相外,铸态合金由于凝固偏析还会依次形成NbC、Laves、δ-Ni3Nb以及γ’’等第二相。γ’’相在铸锭中的完全固溶温度为1000℃,δ相的析出峰值温度为950℃,其完全固溶温度为1100℃,Laves相的初熔温度约为1185℃。对Φ530mm NS 3306合金电渣锭的一种合理均匀化热处理工艺为:1170℃保温24h后,升温至1200℃保温26h。
关键词:NS 3306;凝固偏析;铸态组织;Laves;NbC;均匀化处理
NS 3306合金(国外称为625合金)是一种在一系列氧化性和还原性介质中都具有优异耐蚀性的镍铬钼合金,它被广泛应用于海洋、石化以及核能等工业中。该合金为固溶强化型合金,通过冷加工可获得超过1000MPa的屈服强度。
国外对于该合金的研究较多,大部分研究主要集中在材料焊接性、耐蚀性以及冷热加工过程中的组织转变上面。国内李亚敏等对长期时效后625合金的析出相进行了研究,张谦等研究了固溶处理对热等静压合金组织与拉伸性能的影响,邓德伟等则研究了脉冲电流对合金裂纹尖端组织及性能的影响。
随着我国高端装备制造业的发展,对于大锭型的NS 3306合金需求日趋迫切。国内很多相关企业均开始了大锭型的NS 3306合金试制工作。由于存在大量Mo、Nb等元素,在大型锭NS 3306合金的凝固过程中不可避免地会产生合金元素的偏析,并导致大量偏析相的形成,从而严重影响合金的热加工性以及产品的最终性能。因此,掌握大锭型NS 3306合金的凝固组织及其热处理规律就显得日益迫切。鉴于此,本文研究了热处理对Φ530mm大锭型NS 3306合金凝固组织及其性能的影响,以期对实际生产提供参考。
1实验方法
实验用NS 3306合金为经真空感应冶炼加电渣重熔(VIM+ESR)得到的φ530mm电渣锭,其成分如表1所示。采用日立S-4300冷场发射扫描电子显微镜(SEM)观察不同位置或热处理状态下试样的显微组织,并通过Netzsch STA 449C测得样品的DSC曲线。采用电解方法萃取析出相粉末,利用X射线衍射仪(XRD)进行物相分析。电解双喷法制备薄片试样,并用日立H-800透射电子显微镜(TEM)观察合金中的析出相并进行选区电子衍射分析,通过JXA-8530F型电子探针表征合金凝固组织及微区成分分析。采用Gleeble 3800热模拟试验机进行热压缩实验,以对比均匀化前后合金的热塑性。
表1 NS 3306合金铸锭的成分/wt.%
2实验结果
2.1铸锭组织
图1 铸锭边缘组织及其第二相对应XRD衍射图
图2 铸锭1/2R处组织及其第二相对应XRD衍射图
图3 铸锭中心组织及其第二相对应XRD衍射图
图4 (Ti, Nb)(C, N)以镁铝尖晶石为核心形核长大
图1~3显示了NS 3306合金铸锭不同部位的组织。由于NS 3306合金中含有大量的Mo、Nb等易偏析元素,其大锭型的铸锭中存在树枝状偏析,对Ni-Cr-Mo-Nb合金Inconel 718的研究表明,这类合金的偏析规律为:最后凝固的枝晶间区域富Mo、Nb等高熔点元素。由图1~3可知,NS 3306电渣锭由边缘往心部第二相含量明显增加,表明合金偏析程度加剧。对铸锭心部试样进行的显微硬度测试结果表明,基体相硬度为HV187,而偏析相形成区域的硬度值高达HV338。相分析结果表明,在铸锭边缘试样中的第二相主要是(Ti, Nb)(C, N)夹杂以及由于枝晶偏析形成的NbC相,其中部分(Ti, Nb)(C, N)相以镁铝尖晶石为核心形核长大,如图4所示。而在铸锭R/2和铸锭中心处的主要第二相为NbC相和Laves相。EDS分析显示三种相的成分如表2所示。其中(Ti, Nb)(C, N)的组成式大致为(Nb0.18Ti0.77Cr0.03Ni0.02)(Cx, Ny),而NbC的组成式为(Nb0.84Ti0.08Cr0.03Ni0.05)C。(Ti, Nb)(C, N)和NbC两相都是面心立方结构,其中(Ti, Nb)(C, N)形成温度较高,一般在液态合金中就形成了;而NbC则是在凝固过程中由于偏析而形成的。从组成上来看,(Ti, Nb)(C, N)中Ti含量的原子分数超过3/4,Nb含量仅占1/5;而在NbC中Nb的金属原子分数约为4/5,Ti原子则占不到1/10。二者在微观形态上也具有较明显区别,(Ti, Nb)(C, N)的形状为较规则的几何形状,而NbC呈现条状或块状;Laves相主要由Ni,Cr,Mo,Nb等元素组成,在光学显微镜下呈白色块状,如图5所示。
表2 NS 3306合金铸锭中第二相的成分/wt.%
图5 NS 3306合金铸锭中第二相形貌