固溶处理对800H高温合金力学性能的影响

摘要：通过对800H高温合金固溶处理后的试样分别进行拉伸试验和冲击试验，分析了试样断口的宏观情况，研究了不同固溶参数对800H高温合金力学性能的影响。结果表明，固溶温度对该高温合金力学性能的影响高于保温时间。

1949年美国特种金属公司研制了Ni-Cr-Fe奥氏体不锈钢[1]，将牌号定义为Incoloy800。20世纪80年代，该系列合金正式进入人们的视野[2]。Incoloy800H经常被称作800H高温合金，该合金在高温条件下仍然能保持稳定的奥氏体结构[3]，故而拥有良好的高温力学性能、抗高温腐蚀、较高的高温蠕变断裂强度以及较好的热加工性能等特点。目前已广泛应于核电、石油化工和电站等重大型领域关键零部件，主要用于制造石油化工管道、硝酸冷凝器、蒸汽加热管[4]和大型压力容器[5]等一系列大型管道类和压力容器类零部件。本文主要研究了不同固溶温度和不同保温时间对800H高温合金力学性能的影响，并分析了该合金的断裂方式。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本次试验采用的800H高温合金铸坯具体化学成分见表1。

1.2 试验方法

将锻造好的800H高温合金圆形坯料加工成试验所需的长方体块料，然后将加工好的试样置于KBF1400箱式电阻炉中，按照10℃/min的加热速率分别加热到既定固溶温度(1050℃、1100℃和1150℃)，再保温1 h、3 h和5 h，出炉后直接置于水中进行固溶处理。固溶处理完成后，对试样进行拉伸试验和冲击试验。

2 试验结果与分析

固溶处理是将奥氏体不锈钢加热到1100℃左右，使钢中碳化物相全部或基本上溶解，并且使碳固溶于奥氏体中，然后快速冷却至室温，使碳达到过饱和状态的热处理工艺[6]。该工艺制度主要适用于热处理后需要进一步加工的零件和焊接后工件，也能消除成形工序间的冷作硬化。

2.1 拉伸试样分析

图1是拉伸试样断裂后的宏观情况。从图1可以看出，拉伸试样断口处存在明显的缩颈现象，由此可知该合金拉伸断裂方式为韧性断裂。仔细观察断口形貌可以发现，断口与拉伸方向的夹角大致呈45°，这表明800H高温合金从拉伸到断裂的过程中发生了强烈的塑性变形后才断裂，有着非常良好的塑性。

2.1.1 固溶温度与力学性能之间的关系

800H高温合金不同固溶温度保温5 h之后与力学性能之间的关系见图2。从图2不难发现，随着固溶温度的升高，抗拉强度和屈服强度都有不同程度上的减小，但减小的程度较为缓慢。然而，断面收缩率却随固溶温度升高出现增加的现象，故塑性增强。由此说明，固溶温度升高会使强度降低，断面收缩率增加，从而塑性变形能力升高。

表1 800H高温合金化学成分(质量分数，%)
Table 1 Chemical composition of superally 800H (mass fraction, %)

图1 拉伸断裂后试样
Figure 1 The fractured test specimens after tensile test

图2 固溶温度与力学性能之间关系
Figure 2 The relation between the solution temperature and the mechanical property

图3 保温时间与力学性能之间关系
Figure 3 The relation between the holding time and the mechanical property

2.1.2 保温时间与力学性能之间关系

图3是800H高温合金固溶温度为1100℃时不同保温时间下与力学性能之间关系。随着保温时间的延长，抗拉强度减小的趋势不明显，屈服强度有着明显的降低。但是，断面收缩率仍然随着保温时间的延长出现明显增加的趋势，增加速率逐渐减小。由此可以得出，保温时间越长抗拉强度和屈服强度都有不同程度的降低，但屈服强度受保温时间影响比抗拉强度大。然而，断面收缩率随保温时间延长有一定增加。

综上可知，固溶温度和保温时间都在一定程度上降低了该合金的强度，同时提高了断面收缩率。但从整体上来分析，固溶温度对800H高温合金的力学性能的影响稍大于保温时间。

2.2 冲击试样分析

冲击试样断裂后的宏观情况如图4所示，图中显示冲击断裂后的试样仍然未完全分离。但仔细观察却能够清楚的发现断口处大部分区域呈暗灰色并伴有少许亮白色，而且试样断口周围出现凹凸不平的纤维区，可以确定该试样发生了韧性断裂。出现韧性断裂的原因是该高温合金的固溶处理能够使该合金中的各种相溶解，强化固溶体，塑性和韧性都有不同程度的增加，进而使其塑性变形时间更持久更不强烈而不易发生断裂。

2.2.1 固溶温度与冲击功之间关系

该高温合金不同固溶温度对冲击功的影响如图5所示。可以看出，随着固溶温度的升高，冲击功呈现递增的趋势。保温时间为1 h时，固溶温度继续升高冲击功增加的趋势不明显，因此该固溶温度对高温合金的冲击韧性影响较小。当固溶温度由1050℃升高至1100℃时，冲击功有了明显提高，说明冲击韧性大幅度增加。由此可知，固溶温度升高会明显提高该合金的冲击性能，但在一定程度上也受保温时间的影响。

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图4 冲击断裂后的试样
Figure 4 The sample after impact fracture

图5 固溶温度与冲击功之间关系
Figure 5 The relation between the solution temperature and the impact energy

图6 保温时间与冲击功之间关系
Figure 6 The relation between the holding time and the impact energy

2.2.2 保温时间与冲击功之间关系

保温时间对冲击功的影响如图6所示。可以观察到，随保温时间的延长，冲击功整体呈现增长趋势，但增加速率逐渐减小。短时间保温条件下，冲击功的增长幅度并不明显。当保温时间从1 h延长到3 h后，冲击功有了明显增加。保温时间进一步延长后，尽管冲击功仍在增加，但增长幅度明显减缓。由此可知，同一固溶温度时，保温时间对冲击功影响较为明显。

综上可知，短时间保温下固溶温度对冲击功作用不明显，而固溶温度从1050℃升高至1100℃，冲击功明显提高。因此，与保温时间相比，固溶温度对该高温合金的冲击性能影响要略大一些。

3 结论

(1)800H高温合金经固溶处理后，试样的断裂方式均为韧性断裂。

(2)随固溶温度升高，抗拉强度和屈服强度都出现下降趋势，但断面收缩率有所增加。800H高温合金的力学性能主要受固溶温度的影响，保温时间对其力学性能影响不显著。

(3)800H高温合金的冲击韧性随固溶温度的升高和保温时间延长而不同程度增加，但固溶温度对冲击韧性的影响略高于保温时间。

文章引用：龚豹,张国花.固溶处理对800H高温合金力学性能的影响[J].大型铸锻件,2017(04):28-30.DOI:10.14147/j.cnki.51-1396/tg.2017.04.008.