GH132合金长期时效组织稳定性

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1997.05.006 第19卷第5期 北京科技大学学报 Vol.19 No.5 1997年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.1997 GH132合金长期时效组织稳定性* 张文泉)董建新)张力)徐志超)谢锡善) 1)北京科技大学材料科学与工程系学院，北京100083,2)武汉钢铁公司，武汉430080 摘要研究了工作4.0×10°h后的GH132合金的组织变化，分析了GH132合金在高于650℃短 时过时效条件下的组织稳定性，结果表明：合金组织基本稳定，变化不甚显著；不论是在低温长期 时效，还是在短时超温过时效，o相、Lves等脆性相均不会产生；经过过时效后合金所产生的组 织变化仅仅是y相的补充析出，聚集长大，以及相的析出. 关键词GH132合金，组织稳定性，y相，7相 中图分类号TG156.92 GHI32合金是以15Cr-25Ni-Fe为基组成稳定的奥氏体基体，以Ni,(Ti,A)型的y相为主 要强化相的铁基变形高温合金，y相为面心立方结构呈有序排列，是亚稳定的，其稳定结构为 密排六方的i,Ti型相.GH132合金用于航空发动机涡轮盘材料，其使用温度较高(600℃左 右)，使用寿命较短(103h以内)，对GH132合金在550~650℃长期时效(10h以内)过程中组 织变化已有较全面的研究~刃.目前我国炼油厂的烟气轮机涡轮盘都广泛采用GH132合金， 其工作温度较低(550℃以下)，破坏以蠕变因素为主，使用寿命长(10h以上).因此本文从 运行正常的YL2000-ⅡA型烟气轮机上取下使用4×104h后的祸轮盘，研究GH132合金长 期使用后的组织变化规律，并进行了GH132合金在高于650℃过时效条件下的组织变化研 究，试图为GH132合金在超温使用过程中组织变化提供依据. 1实验材料和方法 实验材料为电弧，真空自耗工艺生产的在500℃以下使用超过4×104h的YL2000-ⅡA 型烟气轮机GH132合金祸轮盘，其成分（质量分数，%）为：C一0.068，Cr一14.74，Ni一27.72， Mn一1.15，A-0.16,Ti-1.89,Mo-1.31,V-0.30,Si-0.47,Fe一其余.合金电子空位浓度 △N=2.725. 热处理制度为：980℃，4h,油冷；720℃，16h,空冷；650,16h,空冷.此外，为了研究过时效 组织稳定性，在祸轮盘上取4块试样分别在700,750,800和850℃经过50h的过时效处理，以 作y相和n相形态对比. X射线及电化学法对涡轮盘进行详细分析，并且对使用4×10h的涡轮盘及过时效试样 利用N'eophot2金相显微镜及Cambridge扫描电镜进行金相组织观察，取金属薄膜在H-800 1996-0607收稿第一作者男28岁硕士 *中国石化总公司“八五"攻关项目

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 《〕 合金 长期 时效组织稳定性 张文泉 董建新 张 力 徐志超 谢锡善 ’ 北京科技大学材料科学 与工程 系学院 ， 北京 ， 武汉钢铁公 司 ， 武汉 。 摘要 研究 了工作 了 后 的 犯 合金 的组织变化 ， 分析 了 合金 在 高于 ℃ 短 时过 时效条件下 的组织稳定性 结果表 明 合金组织基本稳定 ， 变化不 甚 显著 不论是在低温 长期 时效 ， 还是在短 时超温过 时效 ， 相 、 月 等脆性相 均不 会产生 经 过过 时效后 合金所产生 的组 织变化仅仅是州相 的补充析出 、 聚集长大 ， 以 及珍相 的析出 关键词 合金 ， 组织稳定性 ， 叼相 ， 叮相 中图分类号 犯 合金是 以 卜 瓦 一 为基 组成稳 定 的奥 氏体基 体 ， 以 凡 ， 型 的叼相 为 主 要 强化相 的铁基变 形 高温合金 叼相 为 面心 立 方结 构呈 有序排列 ， 是 亚稳定 的 ， 其稳定 结 构 为 密排 六 方 的 两 型相 犯 合金 用 于 航 空 发 动 机 涡 轮 盘材 料 ， 其 使用 温 度 较 高 ℃ 左 右 ， 使用 寿命较短 ， 以 内 ， 对 犯 合金在 一 ℃ 长期 时效 以 内 过程 中组 织变化 已有较全面 的研究 ，一 ’ 目前我 国炼油 厂 的烟 气轮机 涡轮盘都广泛采用 合金 ， 其工作温度较低 ℃ 以 下 ， 破 坏 以 蠕变 因素为主 ， 使 用 寿命 长 以 上 因此 本 文 从 运行 正 常 的 一 型烟 气轮机 上 取 下 使用 后 的涡 轮 盘 ， 研究 犯 合 金 长 期使用 后 的组 织变 化规律 ， 并 进行 了 犯 合金 在 高于 ℃ 过 时效条件下 的组 织 变 化 研 究 ， 试 图为 合金在超温使用过程 中组织 变化提供依据 实验材料和方法 实验材料 为 电弧 、 真 空 自耗工 艺生产 的在 ℃ 以下 使 用 超 过 的 一 型烟气轮机 犯 合金 涡轮盘 ， 其成分 质量分数 ， 为 一 ， 二 ， 瓦一 ， 一 ， 一 ， 一 ， 一 ， 一 ， 一 ， 一 其 余 合 金 电 子 空 位 浓 度 △戈 热处理 制度 为 ℃ ， ， 油 冷 ℃ ， ， 空冷 ， ， 空 冷 此 外 ， 为 了研 究过 时效 组织稳定性 ， 在 涡轮盘上 取 块试样分别 在 ， ， 和 ℃ 经过 的过 时效处理 ， 以 作 叼相 和，相 形态对 比 射线及 电化学法 对涡轮盘进行详细分析 ， 并 且 对使用 的涡 轮盘及过 时效试样 利 用 金 相 显微 镜 及 扫描 电镜 进 行 金 相 组 织 观 察 ， 取 金 属薄膜 在 一 一 一 收稿 第 一作 者 男 岁 硕 士 巾 中国石 化总公 司 “ 八 五 ’ 攻 关项 目 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1997．05．006

·112· 北京科技大学学报 1wy7年第5期 透射电镜上观察，以研究GHI32合金长期时效组织稳定性， 2试验结果与讨论 2.1长期时效的组织稳定性 对使用4×10h祸轮盘进行金相组织观赛，晶界未发现析出物显著增加，组织没有发牛 显著变化，表明材料组织基本稳定， X射线分析结果表明，经4×10h运行后的GH132合金组织结构中除了y相基体外，仅 存在y相、MC相，MB,相和G相（由于合金Si含量较高，有极少量G相存在，在TEM下不易 发现)，与GH132合金标准热处理后的组织一致，未发现其他诸如相等脆性和有害相的存 在，这是由于合金成分控制合理，且△从=2.725>0.说明只要成分控制适当，GH32合金 在较低温度下长期使用后仍能保持良好的组织状态， 电化学相分析表明y相的质量分数为3.38%，结构式为(Nion Fe。C,TiA).用文 献[3]标准热处理后的数据作为比较，发现经4×10h这样长时间的运行，y相的数量变化不 大，亦即补充析出很少. 通过TEM的研究发现，Y相粒子清晰可见，见图1(b).与仅经标准热处理而未经长期使用 的GH32合金相比较，见图1()，y相粒子有了一定的长大，但其粒子仍是细小的，直径为 10~20m,当然仍能保持良好的强化效果.从金相和TEM观察，均未发现n相的存在，与X射 线分析结果相符合.它充分表明，工作祖度较低时，虽然使用了4×I0h,GHI32合金中的y' !仍然十分稳定.未发生显著的变化，GH132合金保持普良好的组织状态 ) 200nm 200mn 图〡合金的组织 2.2过时效组织变化 GH132合金过时效会出现y相补充析出并长大，粗化而失去良好的强化效果，出现大量 片层状n相，引起合金软化，且晶界析出其他有害相，导致合金性能恶化)，通过SEM观察， 700℃，50h过时效后的金相组织，未发现明显变化，未发现n相及其他有害相，见图2()：通过 TEM观察可以发现y相较过时效处理前有所长大，直径为25~30nm,数量也有增加，也没有 发现其他有害相（如o相、刀相）析出，见图3.这是由于合金含T量低，因而不易得到n相，并 且合金电子空位数△N=2.725>0,说明不会析出σ相，但在700℃时GHI32合金组织已开始 不稳定. 通过SEM观察，经750℃，50h过时效后的金相组织，发现沿晶界处析出大置片层状

Vol.19 No.5 张文宁？（合个长期时效组组稳定性 ·443· 相，分布不均，坐现较大的片层偏柴群，而在品内)相较少：由图2(b)可发现，相析出呈平 行的条状，且其中一部分互成75°夹角，体现了相析出有一定的取向；还可发现一定数量的， 相小棒尚未连接成长条.虽然相既可由y相转变而成，也可以由基体中直接析出，但由于y' 相均匀地分布在基体中，故如果此时)相是由y相转变而来的，那么就不会出现相分布的严 重偏拆功相的形成温度为700~900℃)，这种条件下n相可能是在有利区域先直接析出大 置棒，然后各小棒沿小棒前沿继续生长，最后连接生长成平行的长条，图26)就显示出了这 种生长过程，通过TEM视察，可以发现，y相有明显的长大，直径为35~50m.由于n相主妥偏 聚于晶界处，因而在TEM的撒区内未发现)相，见图4，综上说明在750℃GH)32合金组织已 不稳定 间 b 10μm 10um a (d) 20 um 4 um 40um 20 um 图2过时效的SM照片 (a)700℃，50h:b)750℃，50h:(c).(d800℃，50：e)-(0850℃，50h

·444· 北京科技大学学报 1907年第5拟 200am 150m 200nm 图3700C,S0h时效后的TEM组织 图4750℃，50h时效后的TEM组织 经800℃，50h过时效后，通过SEM观察，n相不仅沿晶界析出，而且在晶内也较多，但仍 以沿晶界析出为主，图2（©）为沿晶界析出的长片层状，相，图2（为晶内析出的互成75°夹角 的长条状n相.通过TEM观察发现y相已经迅速长大，直径为90~100m.由于这时g相分布 较广泛，在TEM中也观察到了刀相和已经迅速长大的y相.此时GH32合金组织已很不稳 定 通过SEM观赛发现，经过850℃，50h过时效的GHl32合金的金相组织，小棒状n相沿 整个基体均匀细小地分布，且相互垂直.由于此时温度高，y一切相转变能够实现，此时相形 成可能是2种方式并存.图2（©），(0为850℃，50h过时效后的SEM组织，此时GHl32合金组 织已严重失稳. y相的长大趋势见图5，可见y相的长大对 90 温度特别敏感，而在烟气轮机涡轮盘正常工作 条件下，GHI32合金的y相是稳定的， 970 通过上述研究可得知：由于合金成分控制适 50 当，且△N>0,在高温过时效过程中，除发生 Y相的补充析出及聚集长大及相析出外，未出 10 现其他有害相：由于？相的析出温度为700~ 500 700750800 900℃之间，在烟气轮机祸轮盘正常工作范围内 时效温度/℃ (550℃以下)，只有通过y7相转变而得到，但 图5y的长大趋势 经4x10h长期时效未出现n相，说明在正常使 用温度范围内，刀相转变是很困难的，可能 是由于温度不高，固态中原子迁移困难的原因， 3 结论 (I)GH132合金在较低的温度下长期使用后组织仍处于稳定状态，变化不很显著. (2)所有经过过时效处理的GH132合金，均未出现o相、Lavs相等脆性相.它说明，只要 合金成分控制适当，这些脆性相不论是在低温长期时效，还是在高温过时效，均不会产生：所 产生的组织变化仅仅是相的补充析出、聚集长大，以及相的析出

Vol.19 No.5 张之泉等：(132个下长期时效！定性 ·445· (3)合金在通常使用温度范围内，y一n相转变不易发生，且n相也不可能直接析出. 参考文献 1赵玉才.GH132合金烟气轮机祸轮盘的组织与性能.见：第6届全国高温合金年会论文集，1987.261 2高温合金金相图谱编写室.高温合金金相图谱.北京：冶金工业出版社，1979.50 3北京钢铁学院高温合金教研室，GH132合金.北京：国防工业出版社，1980.7 4王黎元.GH132合金大型烟气祸轮盘的工艺研究.见：第6届全国高温合金年会论文集，1987.602~606 5 Sitko J.Creep and Rupture Tests of Alloy A-286 at Eevated Temperatures.JTEVA,1985,13(4): 285~291 Microstructural Stability after Long Time Aging in GH132(A-286)Superalloy Zhang Wenquan Dong Jianxin Zhang Li Xu Zhichao Xie Xishan 1)Materials Science and Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China 2)Wuhan Iron and Steel Corporation,Wuhan 430080,China ABSTRACT The microstructure and the microstructural stability after long time aging (4x10h)and short time aging were investigated on GH132 superalloy.The experimental results show that some brittle phases such as o phase and Laves phase are not observed both in long time aging at low temperature and short time aging at high temperature. However,y'phase re-precipitation,coarsening and growth and n phase precipitation have been seen after short time aging in GH132 superalloy. KEY WORDS GH132 superalloy,microstructural stability,y'phase,n phase

凡 张 丈 泉等 犯 介 个 州卯卜犷效 夕 创 孙 定 州 合金 在通 常使 用温 度 范围 内 ， 叼一 刀相 转变 不 易 发生 ， 且叮相 也 不 可 能 直接 析 出 参 考 文 献 赵玉才 合金烟气轮机涡轮盘 的组织 与性能 见 第 届 全 国高温合金 年会论文集 ， 高温合金金相 图谱编写室 高温合金金相 图谱 北京 冶金工 业 出版社 ， 北京钢铁学 院高温合金教研室 合金 北京 国 防工 业 出版社 ， 王黎元 合金大型烟气涡轮盘的工艺研究 见 第 届 全国高温合金年会论文集 ， 一 一 ， ， 刀 ︸‘ 及 叮 馆 沂 痴 口 及 ’ 茉‘ 不‘ ， ， ， ， 〕份石叽 ， 五 而 而 ” 了 耐 昭 飞 卿司 详五 恤 ， 一 ， 叮 ， 而 ， ， ， 刀