D0I:10.13374/j.issm1001-053x.1981.02.005 北京钢铁学院学报 1981年第2期 热处理对10Cr-15Co-Ni基高温 合金组织和性能的影响 北京钢铁学院高温合金教研室王迪叶锐會徐志超苏永安高戛 402厂俞同丰张润岗李力加 摘 要 10Cr-15Co-Ni基高温合金以W、Mo、AI、Ti及徽量Mg、B等进行强化， 相当于苏联某牌号Ni基合金，使用温度为900~950℃。从苏联这种合金的实物叶 片解剖情况来看，此合金的使用状态是晶内有大小两种Y'相，晶界为锯齿状，晶 内与晶界强化得到了良好配合。但是，用苏联「OCT51797-73标准给出的此合金 热处理工艺，处理后为平直晶界。因此，热处理工艺的研究，是这种合金涡轮叶片 试制的重要课题之一。我们全面的研究了固溶处理后缓冷、Y'相回溶再析出、固 溶处理后等温等热处理工艺对此合金组织和性能的影响。在确切掌握弯晶形成规律 的基础上，得出固溶处理后在1070℃等温处理的效果最好，晶内与晶界状态相似于 苏联的实物叶片，机械性能也达到了实物叶片的水平。这种合金的晶界碳化物以 M。C为主，对弯曲晶界形成起主要作用。热处理过程中，使M。C以较慢速率在晶 界形核，并以较快速度长成粗大颗粒，即可获得弯曲晶界。在晶内充分强化的基础 上，使晶界锯齿化，可以有效地提高合金的高温持久强度和塑性。上述最佳等温工 艺可以使晶内和晶界强化得到较好的配合，这一工艺经几个批次试验的效果稳定， 在实际生产上切实可行。 引 言 为适应国防与航空工业发展的需要，近年来我国陆续仿制了一些国外性能水平较高的高 温合金材料。本文所述10Cr-15Co-Ni基高温合金是以10~15%W+Mo、5~8%A1+ Ti以及微量B、Mg等进行强化的变形高温合金，相当于苏联的某Ni基合金，用于制造燃气 轮机工作叶片，使用温度为900~950℃。这种合金的Y'相达40%以上，呈方形和园球形两种 形状和尺寸，均匀、规律的分布在Y基体上。另外，从苏联某航空发动机所用此合金涡轮叶 片的实物分析情况来看，这种材料在使用状态的组织还具有锯齿状晶界（弯曲晶界）这一特 点。而实验结果表明，这种合金采用苏联4MTy/山HM9M571-6111或「OCT5.1797-73 棒材技术条件给出的热处理工艺（一次淬火-1220±10℃/4小时/空冷、二次淬火-1050± 10℃/4小时/空冷，时效-950±10℃/2小时/空冷。以下简称标准热处理)，所得到的组织 *本文1981年1月28日收到。 47
Jt 京 钢 铁 学 院 学 报 1 9 5 1 年 第 2 期 热处理对 l o C r 一 1 5 C o 一 N i基高温 合金组织和性能的影响 ` 北京钢铁 学院高 温合 金教研 室 王 迪 叶 锐官 徐志超 苏永安 高 耳 40 2厂 俞同 车 张 润 肖 李力 加 摘 要 l o C r一 S C o 一 N i基 高温 合 金 以 W 、 M o 、 A l 、 T i及 微 t M g 、 B 等进行 强 化 , 相 当于苏联 某 牌号 N i 墓合金 , 使 用 温度为 9 0 一 9 5 0 ℃ 。 从 苏联这种 合 金 的实 物 叶 片解剖情 况来看 , 此合 金 的使用状态是 晶 内有 大小 两种 丫矛 相 , 晶 界为锯 齿状 , 晶 内与晶界 强 化 得 到了 良好配 合 。 但是 , 用 苏联 r O C T .5 1 7 9 7一 7 3 标 准给 出的此 合金 热处理 工 艺 , 处理 后为平 直晶 界 。 因此 , 热处理 工 艺 的研 究 , 是 这种 合 金 涡轮 叶 片 试 制的重要 课 题之 一 。 我们全 面 的研 究 了固溶处 理 后 缓冷 、 丫 产 相 回 溶再 析出 、 固 溶处理 后等温 等热处理工 艺对此合 金 组 织 和 性能 的影 响 。 在 确 切 掌握 弯晶 形成 规 律 的墓础 上 , 得 出 固溶处理 后 在1 0 7 0 ℃ 等温处 理 的效 果最好 , 晶 内与晶界状 态相似 于 苏联 的实 物叶片 , 机械 性能也 达 到了实 物 叶片的水乎 。 这种 合 金 的晶 界 碳化 物 以 M . C 为主 , 对弯 曲晶界形成 起主 要作用 。 热处 理过 程 中 , 使 M . C 以 较 慢速率 在 晶 界 形核 , 并 以 较 快速度长成粗大 颗粒 , 即 可 获得 弯曲晶 界 。 在 晶 内 充分 强化 的墓袖 上 , 使 晶界锯齿 化 , 可 以有效 地提 高合 金 的高温 持久 强度 和 塑性 。 上 述 最佳 等温 工 艺 可 以使 晶 内和晶 界 强 化得 到较 好的配 合 , 这一 工 艺经 几 个批 次试验 的效 果稳定 , 在实 际生产 上切 实 可行 。 日1 . 了 l 告「J 为适 应 国防 与航空 工业发展 的需要 , 近 年 来 我国陆 续仿 制 了一些 国外性能水 平 较 高的 高 温 合金 材料 。 本 文所述 10 C r 一 1 5 C 。 一 N i 基高温 合金 是 以 10 一 15 % W + M o 、 5 一 8 % A ! + T i 以 及 微量 B 、 M g等进 行强化 的 变形 高温 合金 , 相 当于 苏联 的某 N i基 合金 , 用于 制造燃气 轮机工作叶片 , 使 用 温 度为9 0 一 9 50 ℃ 。 这 种 合金 的 洲相达 40 % 以 上 , 呈 方形 和园球 形两种 形 状和尺 寸 , 均匀 、 规律 的分布在 Y 基体 上 。 另外 , 从苏 联 某航空发动机所 用此 合 金 涡轮叶 片的实物 分析情 况来看 , 这种 材料 在使 用状 态 的组织还 具有锯 齿状 晶界 ( 弯曲晶界 ) 这 一 特 点 。 而 实验结 果表 明 , 这 种 合金 采用 苏联 叮M T y / U H H H H M 5 7 1一 6 lF ` 1或 F O C T 5 . 1 7 9 7一 7 3 棒 材技 术 条件 给出 的热 处理 工艺 ( 一 次 淬 火 一 12 0 士 10 ℃ / 4小 时 / 空冷 、 二 次淬 火 一 1 0 5 0 士 10 ℃ / 4 小 时 / 空 冷 ; 时效 一 9 5 0 士 10 ℃ 2/ 小时 / 空 冷 。 以 下 简称 标 准热 处理 ) , 所 得 到 的组 织 本文 1 9 8 1 年1月2 8 日 收到 。 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1981. 02. 005
状态与苏联航空发动机使用的实物叶片有明显差异，突出表现在晶界状态不同。实物叶片的 Y晶界上有粗大颗粒状析出物，晶界呈锯齿状（见图1，本文照片均见图版）。经标准热处 理的材料，晶界析出物的颗粒较小，呈平直晶界（见图2）。将实物叶片重新经标准热处理 工艺处理，得到的组织状态与后者相同。这说明苏联的实物叶片为适应使用性能的要求。调 整了此合金涡轮叶片的热处理工艺，得到了具有弯曲晶界的组织状态。因此，深入研究合金 的工艺特性，发挥合金的使用潜力，是仿制合金的重要研究课题之一。 很多研究工作说明，锯齿状晶界可以明显改善耐热钢及含金的高温蠕变特性。例如20一 11P钢I21、21-12N钢【)、18Cr-12Ni不锈钢[1 Nimonic80AI51t811,、3r437I81、 Was paloyi,、1 nco nel751Iol、Nimonic1l5I1)等等，上述钢及合金分别采取高温 形变热处理、固溶处理后缓冷、两段冷却及直接时效等方式得到锯齿状晶界，使晶内强化与 晶界强化良好配合，从而改善了高温持久断裂强度或持久塑性。 我国的高温合金生产还没有实际应用弯曲晶界。·GH118合金用缓冷处理可以得到弯 曲晶界11，合金的塑性和冷热疲劳性能有所改善，但持久断裂强度下降幅度较大。我们 对10Cr-15Co-Ni基合金的热处理工艺进行了比较全面的研究工作，初步搞请了晶内Y'强 化相析出与弯曲晶界形成的规律，得出了比较合理和切实可行的叶片热处理工艺，处理后的 组织状态和性能水平都达到了苏联实物叶片的水平，为弯曲晶界在高温合金部件实际运用创 造了良好的开端。 一、试验方法 10C-15Co-Ni基高温合金（以下简称试验合金）试验用料为我国冶金厂采用真空感应 +真空自耗工艺冶炼的合金，化学成份如表1所示，为中32毫米热轧棒材，经标准热处理后 的机械性能满足技术条件要求。 表1 热处理工艺试验用合金的化学成份 化 学 成 份· (%) 炉 号 C Cr W M o A l Ti Co Fe B Mg Ni 1 0.052 10.555.655.534.302.46未测 15.00 未测0.02 未测 余 2 :0.053 10.795.765.864.362.470.321 14.980.120.02◆ 0.0017 3 0.053 10.115.855.694.462.440.333 14.900.180.02◆ 0.0026 4 0.048 10.405.165.824.202.500.314 15.01 0.120.02◆ 0.0023 5 0.043 10.075.966.354.392.310.46 15.23未测0.02* 0.05◆ 0.055 9.375.735.944.552.54未测}15.01 未测10.02 未测 7 0.0631 9.465.605.82:4.172.420.33 15.200.240.02◆ 0.0032 8 0.054 9.465.575.824.172.370.329 15.20 0.240.02 0.0019 苏联实物叶片，0.045 9.93 5.535.554.002.340.24 14.630.540.0240.005 为加入量 热处理工艺试验主要包括三部份内容，即固溶处理后的缓冷试验(1~15℃/分范围内八 种冷却速度)，Y'相回溶再析出试验(1110~1170℃的四种温度)，固溶处理后的等温试验 48
状 态与苏联航空 发动机使用 的 实物叶片有明显差异 , 突出表现 在 晶界状 态不同 。 实物叶片的 丫 晶界上 有粗 大颗 粒 状析 出物 , 晶界呈 锯齿状 ( 见 图 1 , 本文 照片均见 图版 ) 。 经标准 热处 理的材料 , 晶界析出物 的颗 粒较小 , 呈平 直 晶界 ( 见 图 2 ) 。 将实物叶片重新 经标准热处理 工 艺处理 , 得到的组 织状态 与后 者 相同 。 这说 明苏 联 的实物叶片为适应 使用 性能的要求 。 调 整了此 合 金涡轮叶片的 热处理工 艺 , 得到 了具有弯曲晶 界的组 织伏态 。 因此 , 深入研究 合 金 的工 艺特性 , 发 挥合 金的使用 潜力 , 是 仿制 合金 的重要 研究课题 之一 。 很多研 究 工作说 明 , 锯齿状 晶界可以 明显改善耐 热钢 及合 金的高温蠕变特性 。 例 如 20 一 1 1 P 钢 I “ ] 、 2 1一 1 2 N 钢 r “ ] 、 1 8 C r 一 z ZN i 不诱钢 [ ` 1 N i m o n i 。 s o A [ “ ] [。 ] [ 7 j · 、 3 0 4 3 7 f . ] 、 W a s p a l o y [ ’ · 、 1 n e o n e l 7 5 1 [ ’ 。 1 、 N i m o n i e l l 5 I ` ’ ] 等等 , , 上 述钢 及合 金分 别采取 高温 形 变热处理 、 固溶 处理后 缓冷 、 两段冷却及直 接时效 等 方式得 到锯 齿状 晶界 , 使 晶内强化 与 晶 界强 化良好配 合 , 从 而改善了高温持久断裂 强度或持 久塑 性 。 我国的 高温 合金 生产还 没有 实际 应用 弯曲晶界 。 . G H l ls 合 金用 缓 冷处理 可以 得到弯 曲 晶界 I ` 2 1 , 合金的 塑性 和冷 热疲 劳 性能 有所改 善 , 但持久断裂 强度 下 降幅 度较大 。 我们 对 1 0 C 卜 1 5 C 。 一 N i 基 合金 的热 处理 工艺进 行了 比较全面 的研 究 工作 , 初 步搞清了晶 内Y 尹 强 化相 析出与弯曲晶界形成的规律 , 得 出了比 较合理 和切 实可 行 的叶片热处理工 艺 , 处理后 的 组织 状态和性能水平 都达 到 了苏联 实物叶片的水 平 , 为弯曲晶 界在高温合 金部件实际 运用 创 造 了良好的开端 , 一 、 试 验 方法 10 C卜 1 S C 。 一 N i 基高温 合 金 ( 以 下简称试 验 合金 ) 试 验用 料 为我 国冶 金厂 采 用真空感应 + 真空 自耗工 艺冶 炼的合 金 , 化 学 成份 如表 1 所示 , 为小32 毫米热 轧棒 材 , 经标准 热处理后 的机械性能满 足 技术 条件要 求 。 表 l 热处理工 艺试 验用 合 金的 化学 成份 … 化 学 成 炉 号 ’ } } ! . , I C { C r ` W {M 0 j A I } T i { V 份 ’ ( % ) 八一乃才刀力,n 奋 一N 洲ù C o { F e { B M ` I N ` 沙护户尹.2 n日ùó日`O ù 0n à曰n ùó 6 5 }5 5 314 . 4 6 ! 未测 未测 1 0 余 7 6 15 . 8 6 1几 八U ō日八ùU 5 .未0 测8]12 . 8 5}5 `“ ) 5 9 6 } 6 6 9 } ` 8 2 1 4 3“ { 4 9 4 {4 3。 { 2 3 6 12 ` 6 … 2 2 0】2 3 9 { 2 4 7 0 4 4 ; 0 5 0 1 0 3 1 0 5 _ 7 5 5】2 . 5 4 1 7 {2 . 3 2 1 . 3 3 3 . 3 1 4 . 4 6 未 测 _ 33 12 }0 8 2 ` 4 8 2 4 { 5 5 4 4 2 0 1 5 . 2 0 1 5 . 2 0 1 4 . 6 3 未测 { ” 0 . 2 4 } 0 未测 0 . 0 0 1 7 0 . 0 0 2 6 0 . 0 0 2 3 0 . 0 5 . 未测 0 . 0 0 3 2 0 . 0 0 19 0 _ 0 0 5 n八上U0 , . 舀n , 八U 工1 QUO口n ùL 妇gn 匕 é d性J任口J , 勺卜d氏J工 工1 ` . ǎJ. 未1,工,` . . , l . es l es es . 1 1 ., . es . 尸a匕民ù 二八JD 卜Jb匀Jl八 Lanb 内D八a 1 7 }2 . 3 7 0 . 3 2 9 0 _ 2 4 0 0 }2 3 4 0 . 2 4 0 . 5 4 1 0 } p 0 2 ` l 匕匀O一户尸 0 Ob抢尸a工 ó月`几口 … 口廿一口二」 1 2 3 4 5 6 7 8 苏联 实物叶片 … . ……{ . …) 0 . 0 5 5 1 9 . 3 7 ) · ::: … ) 、 为加入 量 …:… 热 处理 工艺 试 验主 要包括 三部份 内容 , 即 固溶 处理 后的 缓冷 试验 l( ~ 15 ℃ / 分范 围 内八 种 冷却 速度 ) , 丫` 相 回溶再析 出试验 ( 1 1切~ 1 1 70 ℃ 的四种温度 ) , 固溶处理后的等温 试验
(分别在1000~1130℃保温0.5~6小时，共九个温度六个时间)。在组织观察分析的基础上 测定了合金的机械性能。最后选择效果较好的等温工艺在试验合金模锻叶片上进行试验，与 苏联实物叶片进行了全面的比较。 二、试验结果与讨论 1.固溶处理后的缓冷试验国内研制Nimonic.118合金曾用固溶处理后以3℃/分的缓 ,冷工艺得到弯曲晶界【1，我们也首先进行缓冷试验，试验合金经1220℃/4小时固溶处理后 分别以每分钟1℃、2℃、3℃、4℃、5℃、7℃、10℃、15℃等不同冷速冷至1050℃、1000℃ 及950℃。采用不同冷速的目的在于调整合金的晶内Y'相和晶界碳化物（以M,C为主）的析 出，使之恰当配合，获得良好的强化效果。试验结果表明，固溶处理后的冷却速度不同，对 合金的晶内与晶界的组织状态有明显影响。冷却速度较慢时，晶界碳化物沉淀颗粒粗大，呈 长条棒伏，晶界弯曲。随冷速的加快，晶界小颗粒碳化物的数量增多，晶界弯曲程度降低， 并出现部份平直晶界。冷却速度超过10℃/分，例如15℃/分（即相当于标准热处理的空冷冷 速)，晶界碳化物为小颗粒呈密集分布，晶界平直（见图2及图3）。在试验冷速范围内， 以3℃/分冷却的试样，晶界弯曲程度最好。但是，晶内Y,相的析出状态与晶界正好相反。以 苏联实物叶片的组织状态作为比较基准，固溶处理后的冷速愈慢，方形大Y'相的形状不规 则，尺寸偏大，分布稀疏且不整齐，园形小Y'相的尺寸也偏大。晶内Y'相的这种析出状态 对强化不利、与实物叶片的状态差距很大。加快冷却速度，￥'相的析出状态有所改善，冷速 为I0℃/分时Y'相的形状、尺寸、分布仍与实物叶片有较大差别，冷速达到15℃/分才逐渐 接近于实物叶片。另外，从图3还可以看出，固溶处理后的冷速缓慢，在大颗粒碳化物析出 的晶界附近出现有贫大Y'相的区域。 表2 试验合金经1220℃固溶处理后以不同速度冷却的机械性能◆ 室 温拉 伸 950℃拉伸 22公斤/毫米：持久 940℃ 热·处理工艺 米 米 尔 8 6 s 上 的 ) 1℃/分 1220℃/4小时一→1050℃/空冷 127.087.023.219.855.016.016.0 23:509.27.0 +950℃/2小时/空冷 129.086.521.019.554.820.823.2>23501 2℃/分 1220℃/4小时一→1050℃/空冷 128.586.5j22.420.557.0j23.226.7 45:0010.47.5 +950℃/2小时/空冷 127.087.020.819.557.619.222.5 390012.48.5 3℃/分 1220℃/4小时一→1050℃/空冷 127.090.521.619.557.024.029,2 33008.03.9 +950℃/2小时/空冷 128.090.022.020.258.025.630.2>3300 标准热处理 58.017.818.0 48406.96.3 57.814.416.0>48:40 技术条件 ≥501≥8≥11>40 各工艺均为同一炉号试验合金 49
(分 别在 10 0 0~ 1 13 0℃ 保温 0 . 5~ 6小时 , 共九个温 度六 个时 间) 。 在组 织 观 察分 析的基础 上 测定 了合金 的机械性 能 。 最后 选择效 果 较好 的 等温 工艺 在试 验 合金模 锻叶片上进 行试 验 , 与 苏 联 实物 叶 片进 行 了全 面的 比 较 。 二 、 试 验 结果 与讨论 1 . 固溶 处 理后 的 级冷试 验 国 内研 制 N i m o in c l ls 合 金曾用 固溶 处 理后 以 3 ℃ /分的缓 冷工 艺得到 弯曲晶界 [ ` “ ! , 我们 也首 先进 行 缓冷试验 , 试验合金经 1 2 2 0 ℃ / ,J 、 时 固溶 处理后 分别以每分钟 1℃ 、 2℃ 、 3℃ 、 4℃ 、 5℃ 、 7℃ 、 10 ℃ 、 15 ℃ 等不同 冷速 冷至 1 0 5 0℃ 、 1 0 0 0℃ 及 9 50 ℃ 。 采 用不同 冷速 的 目的 在于调整 合 金的 晶内洲 相和 晶界碳 化物 (以 M . C为主 ) 的析 出 , 使之 恰当配 合 , 获 得 良好 的 强化效 果 。 试 验结 果 表 明 , 固溶 处理 后的 冷却速 度不同 , 对 合 金 的 晶内与晶 界 的组织 状态 有 明显 影 响 。 冷 却速 度 较慢 时 , 晶界碳 化物沉淀 颗 粒粗 大 , 呈 长 条棒伏 , 晶 界弯曲 。 随 冷逮 的加快 , 晶界 小颗 粒碳化物 的数 量增 多 , 晶界弯曲程 度降低 , 并 出现 部份 平直 晶 界 。 冷却 速度 超过 10 ℃ / 分 , 例如 巧 ℃ /分 ( 即 相 当于标 准热 处理 的空 冷冷 速 ) , 晶界碳 化物为小领粒 呈 密集 分布 , 晶 界平直 ( 见 图 2 及图 3 ) 。 在 试验 冷 速范 围内 , 以 3 ℃ / 分冷却的试 样 , 晶 界弯曲程 度最好 。 但是 , 晶 内 Y 了相 的析 出状 态 与晶界正 好相反 。 以 苏联实物叶 片的组 织状 态 作为比较 基准 , 固溶 处理后 的冷 速愈 慢 , 方形 大 洲 相 的形 状不规 则 , 尺 寸偏 大 , 分布稀琉 且不 整齐 , 园形 小 丫 ’ 相 的尺 寸 也偏大 。 晶 内 洲 相 的这种析出伏 态 对 强化不利 , 与 实物叶片的 伏态差 距 很大 。 加 快 冷却 速度 , 丫尸 相 的析出状态 有所改 善 , 冷速 为 LO℃ /分 时 洲 相 的形伏 、 尺 寸 、 分布仍 与实物叶 片有较 大差 别 , 冷 速达 到 15 ℃ / 分 才逐渐 接近 于 实物叶 片 。 另外 , 从图 3 还 可以 看出 , 固溶 处理 后的 冷速缓 慢 , 在大 颗粒 碳 化物 析出 的 晶界附近 出现 有贫大 丫 ` 相的区域 。 表 2 试 验 合金经 12 2 0 ℃ 固溶 处理后 以 不 同 速度冷 却 的机械性能 . 室 温 拉 伸 { 9 50 ℃拉 伸 9 4 0 ℃ 2 2 公斤 /毫米 “ 持久 … 一 … ` . 热 . 。 二 工 , 1 一 甭 一 育 _一 } 习几… 一 _ 「 ! 一 哥万万 百矍 } ` 矍 。 次 {分 次 {石笠 }。 次 }分次 { * 勿 }。 次 }分 次 …鉴… 匕 鉴! 一 … 一 …鉴… 一 ! 一… 云… 一 … - - 一 - 一 - - -一 一几 一 U 7芬 , 一— 一 下只 可又万二叹万; 丁万二 ; _ _ 。 叮 _ , } . _ 。 } _ 。 _ , 八 } _ _ } _ 。 , 。 。 八 , , 月 . : 、 、 ` U / 召 , 。 , 。 叭 , , 易* 112 7 . 0 { 8 7 . 0 ; 2 3 . 2 1 1 9 . 8 一5 5 . 0 {1 6 ` 0 }16 . 0 】 2 3 : 5 0 1 9 _ 2 1 7 ` 0 12 2 0 ℃ / 4小 时一 一) 10 50 ℃ / 空 冷 {;认 ’ 划艾二 ’ 丫成丫 ’ 艾 }亡艾 ’ 侧厂 ’ 二{黑 ` 训篮 ’ 川、 嚣 : 嚣 { “ ’ 州 ` ’ ” ` “ “ ” ” 厂又汀人认 , 。 , 人 么七艾淤 沪 了 山 ’ 丫 !1 2 9 . 0 } 8 6 . 5 12 4 . 0 . 19 . 5 } 5 4 . 8 {2 0 . 8 {2 3 . 2 }> 2 3 ` 5 0 } ! +9 50 ℃ 2/ 小 些空兰乞` - _ {立兰上兰}兰二二兰丫兰二兰匕兰竺生兰巴兰匕兰二竺{ 一 ` 一匕一 2 ℃ / 分 、 , 。 。 , { 。 。 , } 。 。 , { 。 。 , , , 。 { 。 。 。 { 。 。 。 } ` , _ 八 。 { , 。 ` } , 尸 , ` 、 。 。 叭 z , . r _ 比 “ , 。 尸 。 叭 z J 冬 , 、 人 { L乙 O 。 0 } 0 0 。 0 } “ 。 任! 乙 U 。 a ` O t 。 U }` O 。 ` }乙 O 。 了! 任 a ` U U I I V . 4 l f 。 O 1 乙 ` U 七 / 住 / J 、 IJ U — 一一 , 夕 I U O U 七 / 5 之才亨 } , 。 时 。 l 。 行 八 l 。 。 0 } , 八 , 尸 , 。 ( , 。 。 : 。 。 尸 { . 、 。 _ 八 。 } , n 日 } 。 , n 尸 八 叭 j o l ` ” 一L , J户 , 、 止、 一 】L “ 。 VI O , . V l` V 。 0 11 冲 。 O , o t 。 O } 1 廿 。 “ ` 。 剑 O 沙 ` V V } 1 ` 。 任 1 0 。 O 一一一一二 兰型 竺Z全 J竺业鱼到义一 ` 一 卫 _ I二一一土 - 一卫 _ 止 _ _ _ 口_ _ _ 1_ _ _ _ _ _ _ } _ _ , 3 ℃ /分 1 _ : 。 。 。 } 。 。 。 } 。 , 。 1 , 。 。 ! 二 二 八 } 。 ` 八 , 。 。 。 { 一 . 八 。 } 。 八 ! 。 。 嘴 6 八 八 、 , , 二士 _ ” 工 ’ 、 . 。 一 。 .产、 , 」; ` , 、 人 f 二 乙 1 . V I 口 V 。 口 i` 1 。 U } L口 。 J { J , . V i` 任 . V 乙 口 。 石 } 0 口 . V V I O ` V 1 0 万 1 “ U 七 / 伍 J/ 、 口」 一 一一 - 夕 I U O U U / 二己了甲 t , 。 。 。 1 八 八 。 l 。 。 。 l 。 八 。 } 尸 。 。 1 。 , 。 。 八 ’ n l、 。 。 _ 。 。 l 一 I . 。 , 。 ~ , 。 _ , _ ” L , J宁 , 、 入 一 一 } 1 乙 O 。 V 争廿 U 。 V I “ 。 V 陌 U 。 ` 1 0 0 。 V I` O 。 O O V 。 ` {护》 O J ` U V l l 一~ 一 片` 号` - 一卜洲一升一一一 , 十一十一 。 、协 , ` : 二 ( { ( } { 5 8 . 0 }1 7 . 名 }1 8 . 0 { 4 8 : 4 0 } 6 . 9 16 . 3 钊、 犷压 丫每 笋工 不生 } l } } ! 巴 , 0 ! , 孟 月 { 1 户 八 1、 ` 0 。 」 八 } ! } ! { 一 1一 _ 口 ` · ” }“ · ” 1 ` U 一 }尸 任 o · , V } } 技 术 条 件 { } } { 一 二 5。 { 二 8 {二 1 】…> 4。 } … 各工 艺 均为同` 炉号 试 验合 金
测定缓冷工艺中晶界弯曲程度较好的试验合金的机械性能，也同样出现持久断裂强度降 低幅度较大的现象，低于标准热处理状态和技术条件要求（见表2），高温拉伸塑性有所提高。 晶界粗大颗粒状析出物是在奥氏体合金中得到弯曲晶界的前提条件。也就是说晶界上有 沉淀相析出，晶界才有可能发生弯曲。目前一般认为这种晶界粗大析出相是Y'相或碳化物。 我们试验所用的10Cr-15Co-Ni基高温合金，W、Mo含量较高(W+Mo约12%左右)， 在缓冷过程中有大量M。C析出（见表3）。而且这个合金中M。C的存在温度区间高于Y'相 20℃左右【13)。缓冷过程中M,C在晶界析出。晶界析出物引起晶界弯曲的机构，目前有很 多种说法，其中【3】有的说法附合本试验的结果。一种机构认为晶界上的析出相形核之后， 一开始就沿某一特定方向长大，随析出物的长大，晶界反应是自由能降低的方式之一，使晶 界发生移动，结果晶界产生锯齿化。另一种机构可以用下式简单说明： △F=Y(1/R-nrr2) 式中：△F一晶界移动的枢动力 Y—一晶界的界面能 R一晶界的曲率半径 ·一单位体积内晶界上存在的沉淀相颗粒数 r一晶界沉淀相半径 当晶界上无沉淀相时，n、r均为0，原来是平宜晶界故1/R也为0。所以晶界迁移的驱动力 为0，晶界不发生弯曲。在缓冷过程中，晶界上一有碳化物析出，则△F=一Ynπr2+0, 产生了晶界弯曲的驱动力。 表3 10Cr-15Co-Ni基高温合金经固溶处理后缓冷的化学相分析结果(%) 处理工艺 Ni Cr Mo Co M.CY'相 1℃/分 1220℃/4小时一→1050℃/空冷 0.030.05 10.370.300.02 0.83 +950℃/2小时/空冷 31.0811.262.473.432.841.524.79 47.39 2℃/分 1220℃/4小时一→1050℃/空冷 0.020.05 0.360.340.090.78 +950℃/2小时/空冷 31.82 1.282.443.552.721.504.89 48.20 3℃/分 1220℃/4小时一→1050℃/空冷 0.020.05 0.310.280.01:0.67 +950℃/2小时/空冷 31.051.282.493.572.651.464.81 47.31 4℃1分 1220℃/4小时一→1050℃/空冷 0.030.02 0.360.33痕 0.74 +950℃/2小时/空冷 30.331.112.133.132.211.103.89 43.90 5℃/分 1220℃/4小时一—→1050℃/空冷 0.030.02 0.320.31痕 0.67 +950℃/2小时/空冷 31.711.102.133.132.161.153.93 45.31 0.020.03 标 准热处理 0.080.10痕0.23 25.731.062.123.002.070.993.79 38.76 实物叶片 痕0.07 0.220.33痕 0.62 30.071.262.353.232.581.324.15 44.96 在具备有晶界析出物的前提条件下，热处理过程的动力学条件就成为决定晶界弯曲程度 的重要因素。固溶处理后快速冷却，析出相的形核速率就大，析出相后来不及长成粗大颗 粒。亦即值虽然很大，但r极小，△F也就很小。同时，由于晶界沉淀相的颗粒数很多，沿 50
测定缓冷工 艺中晶界弯曲程度较好 的试 验合金 的机械性能 , 也同样出现持久断裂强度降 低 幅度较大的现象 , 低 于标 准热 处理 状态 和技 术 条件要 求 ( 见表 2 ) , 高温拉伸塑性有所提 高 。 晶 界祖大 预拉 状 析出物是 在奥氏体合金 中得到弯曲晶 界的前提条 件 。 也就是 说 晶界上有 沉 淀 相析 出 , 晶界才有可 能发 生弯曲 。 目前一 般认 为这 种 晶界粗 大析出相 是 Y 产 相或碳 化物 。 我们 试验所 用 的 l o C r 一 15 C o 一 N i 基高温 合 金 , W 、 M o 含量较 高 ( W + M o 约1 2 %左右 ) , 在 缓冷 过程 中有大量 M . C析出 ( 见表 3 ) 。 而且这 个 合金中 M . C 的存在温 度区 间高于 Y 产 相 20 ℃左右 [ ’ 3 ] 。 缓 冷过 程 中 M . C 在晶 界析 出 。 晶 界析 出物 引起 晶界弯曲 的机构 , 目前有很 多种 说法 , 其 中 I a , 有的 说法 附 合本 试 验 的结果 。 一种 机 构认为晶界上的析出相形核之 后 , 一开始就沿某一特 定方 向长大 , 随 析出物的长大 , 晶界反 应是 自由能降低的 方式之 一 , 使 晶 界发生 移动 , 结果晶 界产生锯 齿化 。 另一种机构可 以用 下式 简单说明 ; △ F = 丫 ( l / R 一 n 二 r , ) 式中 : △F — 晶界移动 的枢 动力 Y — 晶界 的界面 能 R — 晶界 的 曲率半径 n — 单位体积 内晶界上存在 的沉淀 相颗 粒数 r — 晶界沉淀相半径 当晶 界上无 沉淀相 时 , n 、 r 均为 。 , 原来是 平宜 晶界 故 l/ R 也为 。 。 所以 晶界迁移 的驱动 力 为 。 , 晶界不发生 弯曲 。 在 缓冷过程 中 , 晶界上一 有碳化 物析 出 , 则 △ F = 一 Y n 二 r 盆 今 。 , 产生 了晶 界弯曲的驱 动力 。 表 3 16 C 卜 1 5 C 。 一 N i 基高温合 金经 固溶 处理 后缓 冷 的化学相分析 结果 ( % ) _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 竺 _里三 __ 芭 _ _ _ _ } N , { C · } T ` { A , { w } M 。 { C 。 } M 。 C } , , 相 1 2 2 。℃袋豁朦黔 空冷 1 2 。 瓜玉承称佩称康阔呵蕊 谧: 糕黯 /空 冷 ; 3 1一 网片’ 3 . 5娜: :称 :排 7 8 … 4 8 . 2。 婴 袋糕鄂 /· 冷 1 3 1一 耀…冷… 3 一卿 :耀 , 1。 · 叫 4 7 . 3 1 . 1 2 2。溉: 箫龄 空/ 冷 { 3。一 出州 3 . 13卿 :称护 4 … 4 3 . 9。 12 2。 : ;袋豁)黔 空/ 冷 … 3 1 . 7 1 : :部 :绮 3 . 半:称 :叫 3 , 3 回 … , 5 . 3 1 标 准 热 处 理 下 - 下甸反丽一下万石阿坷喻 } “ “ · 7 3 1 ` · ” ” 1 “ · ` ” } 3 · “ o } 2 · “ 7 1 0 · ” 9 1 3 · 7 9 ù b 曰1. . 任日 万 ` 一 . 实 物 叶 片 ! { 痕 { 0 . 0 7 { … 0 . 2 2 : 0 . 3 3 3 0 · ” 7 { 1 · “ 6 { ” · ” 5 { 3 · “ ” } 2 · 5 8 . 1 · ” 2 痕 在 具备有晶 界 沂出物的前提 条件下 , 热处理过 程 的动 力学条件就 成 为决 定晶界弯曲程度 的 重 要 甩素 。 固 溶处 理后 快速 冷却 , 析出相 的形 核速 率就 大 , 析 出 相后来不 及长 成粗 大颗 粒 。 亦 即 n 值 虽然 很大 , 但 r 极小 , △F 也 就很小 。 同 时 , 由于 晶界沉 淀相的颗 粒数很多 , 沿
晶界呈密集的半连续分布（如图所示），晶界移动困难。所以固溶处理后快速冷却，得到的 是平直晶界。因此，需要在热处理过程中创造条件，使晶界析出相的形核速率较小，晶界上 出现的析出相颗粒数较少，同时能以较快速度长大成粗大颗粒，即可得到晶界弯曲程度较好 的晶界。本试验当中的固溶处理后以3~5℃/分速度冷却，就具备了这样的条件，处理后得 到了弯曲晶界。 同样，Π.I.中HJIHMOHOb【9】的研究结果，也可以说明我们的试验合金是由于晶界碳 化物导至晶界锯齿化。 合金在缓冷过程中，Y'相在晶内普遍析出。由于固溶处理后的冷却速度缓慢，Y'相的 形核数量少，最后得到的Y'相颗粒数少，但尺寸较大。Y'相的这种析出状态与实物叶片明 显不同，并且对合金强化不利，造成高温特久断裂强度的大幅度降低。 综上所述，这种合金可以通过固溶处理后的缓冷工艺得到弯曲晶界，但由于降低了晶内 强化效果，使合金的高温强度损失较大。因而需要继续寻找使晶内和晶界强化得到良好配合 的热处理工艺。 2.固溶处理后缓冷与Y'相回溶再析出试验基于以上试验结果和这个合金的M。C存 在温度区间高于γ'相，试验先用固溶处理后的缓冷工艺获得良好的弯曲晶界，然后在较高温 度（1140~1170℃)回溶缓冷过程中析出的Y'相，使其重新在较大过冷度的情况下再析出， 以改善Y'相的析出状态，同时又仍能保留原来已经获得的弯曲晶界。为此进行了1220℃/4小 ,3℃/分 时一→1050℃/1小时0小时/空冷+T℃/0.5~3小时/空冷+1050℃/4小时/空冷(T分别 为1140、1150、1160、1170℃)。组织观察结果表明，经1150℃回溶处理，晶界仍保特弯 曲，，但Y'相未能全部溶解，未溶的Y'相反而迅速长大，晶内强化效果不好。为使Y'相能充 分溶解，将回溶温度提高至1170℃，此时缓冷过程析出的Y'相几乎全部溶解，再经1050℃ 处理，Y'相的形态、尺寸、分布均得到改善。但在Y’相回溶的同时，晶界碳化物也溶解， 原来的弯曲晶界变为平直（见图4)。在1160℃进行回溶处理，晶界仍保持弯曲，但弯曲程 度下降，Y'相的析出状态有所改善，但原来的Y'相未能全溶，特久断裂寿命较之上述缓冷 工艺有所提高，但仍低于标准热处理状态。由于这种工艺操作过于复杂，回溶温度的控制范 围极为狭窄（仅10℃），而且效果不明显。所以这一类型的工艺用于实际生产的意义不大。 3.固溶处理后的等温工艺试验从上述两项试验看出，合理的热处理工艺应该使晶内 与晶界强化得到良好配合，单独满足其一就达不到予想的强化效果。鉴于这个合金的Y'相 和M。C的析出温度相近，这就有可能找出一种热处理工艺，同时满足晶内与晶界合理反应 的动力学条件，使晶内与晶界均得到良好的析出状态。因此，能否在固溶处理后以较快速度 冷却至一个合适的温度保持适当时间，在这种条件下既能使Y'相以一定速率形核，并长成 合适大小，同时M。C能以较慢速度形核，并迅速长成粗大颗粒，使晶界发生迁移。从这一 想法出发，进行了1220℃/4小时固溶处理后分别快速冷却（空冷）至1000、1050、1060、 1070、1080、1090、1100、1110、1130℃等温2~4小时的热处理工艺试验。结果表明，固 溶处理后快速冷至1000~1100℃进行等温，均能得到Y'相的良好析出，即：晶内有大小两 种Y'相，形状规则，排列整齐，尺寸合适，有良好强化效果，近似于实物叶片使用状态的 晶内组织（见图5、图6）。等温温度过高或等温时间过长，就会出现Y'相形状不规则，分 布不均匀的现象（见图8）。应该指出，固溶处理后的冷却速度对晶内Y'相的析出状态具有 重要影响，仅只冷却速度不同，处理效果会有明显差别。将试样埋入砂中缓慢炉冷至等温温 度进行保温，就同样会出现前述缓冷工艺的组织特点，Y'相的形状不规则，排列混乱，晶界 51
晶界呈 密 集的半连 续 分 布 ( 如 图所 示 ) , 晶 界移 动 困难 。 所 以 固溶 处理后 快速冷却 , 得到 的 是 平直晶 界 。 因此 , 需要 在 热处理过 程 中创造 条件 , 使 晶界 析出相 的形核 速率 较小 , 晶 界上 出现 的析 出相颗 粒 数 较 少 , 同时 能 以 较快 速 度长 大 成粗大颗 粒 , 即可得 到 晶 界弯曲程 度较好 的晶 界 。 本试 验 当中 的 固溶处理后 以 3~ 5 ℃ / 分 速 度冷 却 , 就 具备了这样的条件 , 处理后得 到 了弯 曲晶 界 。 同 样 , n . H . 中 。 lJ o M o H 。 、 r ’ l 的研 究 结 果 , 也 可 以说 明我 们 的试 验合 金是 由 于 晶界碳 化物导至 晶 界锯 齿化 。 ’ 合 金 在缓 冷过 程 中 , 丫 ` 相 在晶 内普遍 析 出 。 由于固 溶处 理后 的冷 却速 度缓慢 , Y ’ 相 的 形核数量少 , 最后 得 到的 丫` 相颗 粒 数少 , 但 尺寸 较 大 。 丫产 相 的 这种析出状态 与 实物叶片明 显不同 , 并且 对 合金 强化不利 , 造 成高温 持久断裂 强 度的 大幅 度降低 。 综 上所述 , 这 种 合 金可 以 通 过 固溶 处理后 的缓冷 工艺 得 到弯曲晶界 , 但 由于 降低 了晶 内 强化效果 , 使 合 金 的高温 强 度损 失较 大 。 因而 需 要 继续寻 找使 晶内和 晶界强 化得 到 良好配合 的热 处 理工 艺 。 2 . 固 溶处 理 后 纽 冷与丫 z 相 回溶 再析 出试验 基 于以 上试 验结 果 和这个 合 金的 M . C 存 在温度区 间高 于 Y 尸 相 , 试验 先用 固 溶处 理后 的 缓冷 工 艺获得 良好 的弯 曲晶 界 , 然后 在 较高温 度 ( 1 1 40 一 1 1 7 0 ℃ ) 回溶缓冷过 程 中析 出 的丫 ` 相 , 使 其重新 在较大过冷 度 的情况下 再析出 , 以 改善 丫` 相 的析出 状态 , 同 时又仍 能 保 留原来 已经 获 得 的弯曲晶界 。 为此 进 行 了 1 2 2 。℃ 4/ 小 3 ℃ /分 时一 一) 1 0 5 0 ℃八 小 时一 O小 时 / 空冷 十 T ℃ / 0 . 5 ~ 3小 时 / 空冷 + 1 0 5 0℃ 4/ 小时 / 空冷 ( T 分别 为1 14 0 、 1 15 0 、 1 1 6 0 、 1 1 7 0 ℃ ) 。 组 织 观 察 结果 表 明 , 经 1一5 0 ℃ 回溶处理 , 晶界仍 保持弯 曲 , . 但丫 ` 相未 能 全部溶 解 , 未 溶 的 Y ’ 相 反而 迅速长 大 , 晶 内强 化效 果不 好 。 为使 丫` 相能充 分 溶解 , 将回溶温 度 提 高至 1 1 7 0 ℃ , 此 时 缓冷 过程 析 出的 Y ` 相 几 乎全 部溶解 , 再经 1 0 5 0 ℃ 处 理 , 丫产 相 的形 态 、 尺 寸 、 分布均 得到 改善 。 但在 洲 相 回溶 的 同时 , 晶 界碳化物 也 溶解 , 原 来的弯曲晶界 变 为平 直 ( 见 图 4 ) 。 在 1 1 60 ℃进 行 回溶 处理 , 晶界仍 保 持弯 曲 , 但 弯曲程 度下降 , 丫尹 相 的析 出状 态 有所 改善 , 但 原 来 的 洲 相 未能全 溶 , 持久断 裂 寿命 较之 上 述缓 冷 手艺 有所 提 高 , 但仍 低 于标 准 热处 理状态 。 由 于这种 工 艺操 作过 于 复杂 , 回溶 温度 的控 制 范 围极为狭窄 ( 仅 功 ℃ ) , 而且 效果 不 明显 。 所 以这一 类 型的工 艺 用 于实际生产 的意 义不大 。 3 . 固 港处 理 后 的等通 工艺 试 验 从上 述 两项 试验 看 出 , 合理的热处理工 艺应 该使 晶 内 与晶 界强化得 到 良好 配合 , 单独满 足 其一 就达 不到予 想的 强 化效果 。 鉴 于这 个 合金 的 Y 尹 相 和 M 。 C 的 析 出温 度 相近 , 这 就 有可 能找 出一 种 热处 理工 艺 , 同时 满 足晶 内 与晶界 合 理反应 的 动力学条件 , 使 晶 内与 晶界均得 到 良好的 析 出状态 。 因此 , 能 否在 固溶 处理 后 以 较快速度 冷却 至一 个合适 的 温 度保持适 当时 间 , 在这 种 条件下既 能使 洲 相 以 一定 速率 形 核 , 并长成 合适大 小 , 同时 M o C 能 以 较慢 速度 形 核 , 并 迅速 长 成粗 大颗 粒 , 使 晶 界发生迁 移 。 从 这一 想法 出发 , 进 行 了 1 2 2 0 ℃ / 4 小 时 固溶 处理后 分 别快 速冷 却 ( 空冷 ) 至 1 0 0 0 、 10 5 0 、 10 6 0 、 1 0 7 0 、 1 0 8 0 、 1 0 9 0 、 1 1Q o 、 1 1 1 0 、 1 1 3 0 ℃等 温 2 ~ 4 小 时的 热处理 工艺 试 验 。 结果 表 明 , 固 溶处理后 快 速冷至 10 0 ~ 1 1 0 ℃ 进 行 等温 , 均能 得到 洲 相 的 良好 析出 , 即 : 晶 内有大小两 种 洲 相 , 形状 规 则 , 排 列 整齐 , 尺寸 合适 , 有 良好 强 化效 果 , 近 似 于实物叶 片使 用状 态 的 晶 内组 织 ( 见 图 5 、 图 6 ) 。 等温 温度 过 高或等温 时 间过长 , 就 会出现 Y 尹 相形状 不规 则 , 分 布不均 匀的 现象 ( 见 图 8 ) 。 应该 指 出 , 固溶 处理后 的 冷却 速度对 晶 内丫 ` 相 的析出状 态 具 有 重 要影响 , 仅只 冷却 速 度不 同 , 处 理效果 会 有明显差 别 。 将 试 样埋 入砂 中 缓 慢炉 冷至 等温 温 度进行保 温 , 就同 样会出现 前述缓 冷工 艺 的组 织待点 , Y ` 相 的形状不规 则 , 排列 混 乱 , 晶 界 5 1