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鎳基合金(Incoloy 800H NO8800)合金化學成分材質與金屬結構特征
發布者：江蘇涌華金屬科技有限公司 閱讀：704次
ncoloy 800合金屬于鐵—鎳一鉻合金，具有良好的耐腐蝕性能和抗氧化性能，在常溫和高溫下都有高的抗張強度和高的蠕變破斷強度。廣泛應用于鍋爐設備、水蒸汽高塔設備的壓氣管和合成氨輸出壓力管以及家庭炊具等。已發展成為一個系列Incoloy 800合金，主要分類由表1給出。
Incoloy 800合金是Fe-Cr-Ni基合金，Bcadley提供Fe-Cr-Ni三元平衡相圖(見圖
。由圖可以看出800合金是完全奧氏體組織，γ和γ+o相之間界線，隨溫度下降向著標定800合金(成分范圍移動。由于成分偏析或沉淀，鋼的標定成分有微量變更，會引起相界線的變化。例如：Ni;(Al,Ti)的析出，將降低基體的含鎳量，改變基體的成分。成分控制中應注意用電子控位數來控制a相的析出，由公式(1)計算得出表2數據：△Niv=Ni-3Ti-3.5A1-1.7Si-0.9Cr-4.7
當△Niy<0時， 產生σ相。
由表2的數據可以看出△Niy>4.78,遠遠離開產生σ相的可能性，因此在一般使用中無需擔心 相的出現。
2.2 碳
鈦和鉻是一對很強的碳化物形成元素。鈦和碳的親合力比鉻和碳的親合力強，因此在平衡狀態下，TiC首先析出而不是M23C6。
碳和鈦有密切的關系，鈦增加耐腐蝕性能，減少基體中固溶碳。800合金采用高的Ti/C比率，對于低碳800合金Ti/C=12～20;對高碳800HTi/C=4最佳。這種比率下碳主要被碳化物TiC所穩定。我廠生產的GH800H合金Ti/C比率在5～7之間。碳對控制熱處理期間的晶粒度大小也起重要作用，同時對機械性能有好的作用。
2.3 鋁和鈦
800合金是一種時效硬化型合金，以γ為強化基體。800合金同鎳基合金一樣，隨Al和Ti的含量增加，Y[Ni₃(Al,Ti)]析出量也增加。Y的析出對蠕變強度有利而對韌性有所損害。為滿足時效強化的作用，對A1+Ti%的百分比含量進行了實驗研究，由大量的國內外資料介紹：Al+Ti%之和最小含量為0.5%,而最大含量為1%。在此范圍內蠕變強度和韌性都比較理想。而超過1.0%含量，使一次TiC的塊狀增加，對性能有不利影響。
鋁和鈦都是增加蠕變強度的重要元素，Al在增加蠕變破斷強度的作用比鈦小，而在降低韌性A1比Ti更強。因此要獲得最佳的強度和韌性，須選擇低鋁高鈦。
3 顯微結構特征
3.1 晶粒度
晶粒度問題對于800合金是一主要問題。在美國ASTM標準中強調晶粒度為2～5級，這是因為晶粒度的尺寸對蠕變性能有直接的影響。
3.1.1熱處理制度的影響
同一般不銹鋼一樣Incoloy 800合金的晶粒度隨著固溶溫度的升高，晶粒尺寸明顯的增大，但不是簡單的直接關系(如圖2)。我們進行固溶溫度與晶粒度之間關系的實驗證實：Incoloy 800H晶粒度的粗化溫度在1130℃～1140℃之間，保溫在3h以上晶粒明顯粗化。
3.1.2 鈦和碳含量的影響
在Incoloy 800合金中鈦是以TiC的形式作為強化相，TiC質點的分布形式直接影響晶粒尺寸。
碳含量的不同，決定析出TiC的量的不同。晶粒臨界粗化溫度不同。由圖2可以看出對于低碳800合金粗化溫度為980℃;800H粗化溫度為1150℃。在臨界粗化以上晶粒迅速長大。
3.1.3 晶粒度與蠕變性能的關系
Incoloy 800合金高溫蠕變(持久性能)是主要的性能指標，要求33MPa應力下斷裂時間超過1000h。在許多情況下粗晶粒材料比細晶粒材料的蠕變率低，而應變一斷裂強度則高。一個簡單化的解釋就是，與細晶粒材料相比，粗晶粒材料可供晶界滑動的晶界總面積較小。在若干種合金中都已觀察到了產生最大蠕變抗力的最佳晶粒度(如圖3所示),晶粒的大小如果超出此臨界值，穩態蠕變率就會上升。美國標準ASTM對Incoloy800H合金要求晶粒度2～5級，晶粒直徑為(1.8×10-²cm～0.62×10-²cm)正處于最佳晶粒度，保證最小蠕變率。
3.1.3晶粒度與蠕變性能的關系
Incoloy 800合金高溫蠕變(持久性能)是主要的性能指標，要求33MPa應力下斷裂時間超過1000h。在許多情況下粗晶粒材料比細晶粒材料的蠕變率低，而應變一斷裂強度則高。一個簡單化的解釋就是，與細晶粒材料相比，粗晶粒材料可供晶界滑動的晶界總面積較小。在若干種合金中都已觀察到了產生最大蠕變抗力的最佳晶粒度(如圖3所示),晶粒的大小如果超出此臨界值，穩態蠕變率就會上升。美國標準ASTM對Incoloy800H合金要求晶粒度2～5級，晶粒直徑為(1.8×10-²cm～0.62×10-²cm)正處于最佳晶粒度，保證最小蠕變率。帕克提出，晶粒度對蠕變率的影響主要是由于不同的晶粒粗化處理所造成的晶界結構改變。高溫蠕變取決于位錯攀移。空位擴散沿高能量晶界進行比通過整體點陣的速度要快。細晶材料具有許多高能量晶界，因此空位在其中擴散迅速，蠕變率也高。當同樣的材料被加熱到高溫而晶粒粗化的時候，由于晶粒生長，大部分高能量晶界消失了，而且主要留下空位擴散相對緩慢的低能量晶界。因此，在粗晶材料中位錯攀移緩慢，因而蠕變率也較低。
在我們的實驗中(見表3)也完全證實Incoloy 800H合金晶粒度在2～5級晶粒度下蠕變壽命(應力33MPa)≥1000h。
3.2 800合金的析出相
.800合金主要的析出相有六種：Cr23C6、[MTi]C、TiC(N)、TiN、Y相，Ni₃(Al.Ti)Cx。
3.2.1 碳化物沉淀相
如前所述800合金主要的碳化物相CrzsC和TiC。這兩種相在使用過程(300℃～850℃),碳化物不斷析出(見圖4)。
TiC比M₂₃C₆穩定。但是H₂₃C₆在使用溫度下析出較多，這是因為它有較大的動能。M₂3C₆可以迅速在晶界、孿晶界析出，起到強化晶界的作用。偶然也有在晶內析出，有時在晶界處有塊狀M₃Cs,這樣會在基體附近產生貧鉻區降低腐蝕性能。但因為800合金Ti/C比率高，晶粒比較細，800H晶粒度2～5級對自身消除貧鉻區擴散有利，在這一點，800合金比800H合金消除自身貧鉻本能要強一些。
TiC作為800合金中主要的碳化物相，在時效強化中起主要作用。TiC是阻碼晶粒長大起主要作用。但如果過剩的鈦，形成大塊一次TiC,并不一定起到好效果。
由圖4可以看出MzC6和TiC的析出和溶解與Y'不同。Incoloy 800合金是以Y為時效強化合金。但在Y被溶解后，碳化物強化效果可以顯示出來。有人專門作實驗介紹800H合金中，由MzsC₅析出晶界可增加屈服強度為100MPa,而基體Y析出增加屈服強度為50MPa,在晶界析出對屈服影響較小。
3.2.2 Y相的析出
800合金中加入Al和Ti與Ni起反應形成金屬間化合物Ni₈(Al,Ti)。Y屬于面心結構，析出在奧氏體基體中，屬顯微基體強化。雖然800合金中鋁和鈦含量較低，Y析出自分率也較低，但對高溫性能影響很大。Y在基體均勻的析出，而且是穩定的。Y在大約600℃迅速形成。材料在550℃～750℃使用中可以觀察到，在長期時效過程中γ質點長大非常緩慢，大小約40～50毫微米。這種Y質點切割位錯比碳化物強化效果更為顯著。
Y對蠕變性能量和抗張性能的影響，主要在650℃左右，使強度增加，韌性下降。
在800℃以上，高溫孀變性能及抗張強度主要是碳化物起著強化作用。
4結論
(4.1）只要Ni、Cr、Ti和Al含量控制得當，使Ni當量(△Niy=Ni-3Ti-3.5Al-1.7Si-
0.9Cr-4.7)<0,800合金在使用中一般不會出現σ相；
(4.2) 控制Ti/C=5～7,(Al+Ti)含量=0.8～1.0%,且低A1高Ti,800合金可獲得最佳
的綜合性能；
(4.3)800合金的晶粒度在2～5級，具有最佳的抗蠕變性能。
(4.4) 相[Ni₃(A1,Ti)]是800合金的主強化相，它在600～650℃下析出速度快，在800℃以下都較穩定。
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