（沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司）

0 引言

鎳基高溫合金是以Ni為基體，在高溫環(huán)境下具有良好的拉伸強(qiáng)度、高溫蠕變抗力以及相當(dāng)優(yōu)異的抗高溫疲勞和熱腐蝕性能的高溫合金，廣泛地用于航空、動(dòng)力、石化等行業(yè)中承受高溫、高速等苛刻工作條件的關(guān)鍵部件[1]。本文主要研究對(duì)象為三種典型的鎳基合金：Inconel 625、Inconel 625plus及Inconel 718。Inconel 625合金是一種以Ni、Cr為基，Mo、Nb為主要強(qiáng)化元素的固溶強(qiáng)化鎳基變形高溫合金，在650℃以下有良好的持久性能、疲勞性能、抗氧化和抗腐蝕性能，從低溫到1 095℃范圍內(nèi)都具有良好的強(qiáng)度和韌性，合金能抗氯離子應(yīng)力腐蝕裂紋，可用作噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)部件、航宇結(jié)構(gòu)部件和化工設(shè)備[2-3]；Inconel 625plus主要指粉末冶金Inconel 625plus合金，該合金粉末顆粒細(xì)小，成分均勻，無(wú)宏觀偏析，熱加工性能好，具有很高的屈服強(qiáng)度和良好的熱疲勞性能，Inconel 625plus合金可以滿(mǎn)足應(yīng)力水平較高的機(jī)組用件的使用要求，是壓縮機(jī)葉輪在高溫工況下的主要材料選擇；Inconel 718合金的研制起源于上世紀(jì)50年代，國(guó)內(nèi)于20世紀(jì)60年代末仿照Inconel 718合金研制開(kāi)發(fā)出GH4196合金，該合金由于其非常穩(wěn)定和特殊的微觀結(jié)構(gòu)，在高達(dá)650℃的高溫下表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能，具有良好的穩(wěn)定性、抗蠕變性能、較高的強(qiáng)度及疲勞壽命[4-6]，目前，Inconel 718合金被廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、核能工程等眾多領(lǐng)域[5]。

本文對(duì)上述三種典型的鎳基合金進(jìn)行性能研究，以便通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比，直觀的發(fā)現(xiàn)三種合金各自的優(yōu)缺點(diǎn)，為今后選材提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

Inconel 625合金，Inconel 625plus合金以及Inconel 718合金均為沉淀強(qiáng)化合金，故其熱處理工藝都是含有固溶和時(shí)效兩個(gè)部分，具體熱處理工藝見(jiàn)表1所示。

表1 三種材料熱處理工藝Tab.1 Heat treatment process of three materials

利用XRF1800熒光光譜對(duì)三種材料的化學(xué)成分進(jìn)行分析；利用EVO-18型的掃描電子顯微鏡進(jìn)行SEM分析及EDS能譜分析；采用RsA250型電子萬(wàn)能拉伸機(jī)進(jìn)行材料中高溫度拉伸性能的測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 三種材料元素含量對(duì)比分析

Inconel 625、Inconel625 plus和Inconel 718合金的化學(xué)成分見(jiàn)表2所示，可以看出Inconel 625 plus合金中Ti含量明顯高于Inconel 625合金，而Ti元素是形成提高強(qiáng)度沉淀強(qiáng)化相γ’(Ni3(Al,Ti))的重要金屬元素，因此Inconel 625 plus合金較Inconel 625合金具有更好的屈服強(qiáng)度；通過(guò)對(duì)Inconel718合金和Inconel 625 plus合金元素含量進(jìn)行對(duì)比可知，兩者成分在沉淀強(qiáng)化元素上存在區(qū)別，即Inconel 718合金中Al及Nb+Ta元素含量明顯較Inconel625合金高，而Inconel 625 plus合金中Ti元素含量要高于Inconel 718合金，而Inconel 625 Plus合金中細(xì)化晶粒元素Mo的含量則遠(yuǎn)高于Inconel 718合金。從合金成分配比來(lái)講，三種合金各有其優(yōu)勢(shì)，對(duì)應(yīng)其性能也各有優(yōu)勢(shì)。

表2 三種材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Tab.2 Chemical components of three materials(quality score/%)

3.2 三種合金材料室溫力學(xué)性能

表3為在室溫下Inconel 625、Inconel 625plus及Inconel 718三種合金的機(jī)械性能對(duì)比。由表3可知，Inconel 625合金在室溫下具有良好的塑性，但抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度均低于Inconel 625plus及Inconel 718合金，其中屈服強(qiáng)度相差較為明顯，后兩種合金的屈服強(qiáng)度高于Inconel 625兩倍以上；Inconel 718合金的抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度均高于Inconel 625plus合金，但相差不大，且二者均具有較好的塑性。強(qiáng)度通常隨溫度上升而成下降趨勢(shì)，因此在高溫環(huán)境下，Inconel 625強(qiáng)度會(huì)更低，很難滿(mǎn)足工程使用需求，在高溫環(huán)境中應(yīng)選用Inconel 625plus和Inconel 718兩種合金。

表3 三種材料室溫性能對(duì)比Tab.3 The comparison of room temperature performance of three materials

3.3 Inconel 625plus合金及Inconel 718合金高溫力學(xué)性能

表4為高溫下Inconel 625plus合金的機(jī)械性能。在260℃下，Inconel 625plus合金的抗拉強(qiáng)度為1 100MPa，屈服強(qiáng)度約為850 MPa，為對(duì)應(yīng)室溫下強(qiáng)度的94%，其塑性指標(biāo)與室溫?cái)?shù)據(jù)持平；在400℃下，Inconel 625plus合金的屈服強(qiáng)度約為815MPa，略低于260℃下的屈服強(qiáng)度值，為對(duì)應(yīng)室溫下強(qiáng)度的91%，其塑性指標(biāo)與室溫?cái)?shù)據(jù)相近。可見(jiàn)Inconel 625plus合金在進(jìn)行表1所述熱處理后，材料高溫下的機(jī)械性能較好，可在一些特定工程中應(yīng)用。

表4 Inconel 625plus合金機(jī)械性能Tab.4 The mechanical properties of alloy Inconel 625plus

Inconel 718合金具有良好的綜合力學(xué)性能。在650℃時(shí)，Inconel 718合金的抗拉強(qiáng)度為1 000MPa，屈服強(qiáng)度為785MPa，塑性指標(biāo)與常溫下數(shù)據(jù)相近，即在此溫度下仍具有較高強(qiáng)度值，滿(mǎn)足工程需求。

3.4 材料顯微組織分析

Inconel 625plus合金在進(jìn)行表1所述熱處理后得到的顯微組織如圖1所示。由圖1可以看出，Inconel 625plus合金的晶界上密布著沉淀強(qiáng)化相，晶界內(nèi)部也存在少量沉淀強(qiáng)化相，對(duì)內(nèi)部沉淀強(qiáng)化相進(jìn)行成分分析如圖2所示，可知沉淀強(qiáng)化相的主要構(gòu)成元素為T(mén)i(C，N)。含有大量Ti元素的沉淀強(qiáng)化相能夠?qū)Σ牧匣w起到良好的強(qiáng)化作用，這也是Inconel 625plus合金在室溫和高溫環(huán)境下均具有高強(qiáng)度的原因之一。

表5 Inconel 718合金機(jī)械性能Tab.5 The mechanical properties of alloy Inconel 718

圖1 Inconel 625plus合金顯微組織形貌Fig1.The microstructure and morphology of alloy Inconel 625plus

圖2 Inconel625plus合金二次電子形貌和對(duì)應(yīng)EDS能譜分析Fig2.The secondary electron morphology and EDS energy spectrum analysis of alloy Inconel 625plus

圖3為Inconel 718合金經(jīng)過(guò)時(shí)效后的顯微組織形貌，對(duì)其組織進(jìn)行成分分析如圖4所示，圖中長(zhǎng)片狀白色組織為該合金時(shí)效強(qiáng)化相，結(jié)構(gòu)為面心立方γ’（Ni3Al）相，其顯著提高合金強(qiáng)度。Inconel 718合金是一種時(shí)效強(qiáng)化鎳基變形高溫合金，該合金中主要析出相是γ”相、γ’相及δ相。體心四方結(jié)構(gòu)的γ”相（Ni3Nb）為主要強(qiáng)化相，同時(shí)輔以面心立方結(jié)構(gòu)的弱強(qiáng)化相γ’（Ni3（Al、Ti）），正交結(jié)構(gòu)的 δ相（NiNb）是γ”相的平衡相。在Inconel 718合金中，析出相本身及周?chē)鷳?yīng)力場(chǎng)能夠阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)與合金基體間存在較大共格畸變能，尤其是γ”相，從而使合金在高溫下具有更強(qiáng)的強(qiáng)化性能[7]。

圖3 Inconel 718合金顯微組織形貌Fig3.The microstructure and morphology of alloy Inconel 718

圖4 Inconel 718合金形貌相對(duì)應(yīng)EDS能譜分析Fig4.The EDS analysis with the corresponding of microscopic morphology of alloy Inconel 718

4 結(jié)論

1）Inconel 625 plus合金中Ti及Mo元素相對(duì)含量較高，而Inconel 718合金中Al及Nb+Ta元素相對(duì)含量較高，這類(lèi)沉淀強(qiáng)化元素對(duì)提升材料機(jī)械性能起著決定因素。

2）Inconel 625合金的沉淀強(qiáng)化相為γ’，但其中Ti等沉淀強(qiáng)化元素較少，因此強(qiáng)度相對(duì)較低；Inconel 625plus合金晶界上密布著沉淀強(qiáng)化相，晶界內(nèi)部也存在少量沉淀強(qiáng)化相，且沉淀強(qiáng)化相的主要構(gòu)成元素為T(mén)i(C，N)；Inconel 718合金主要析出相是γ”相（主要強(qiáng)化相）、γ’相（弱強(qiáng)化相）及δ相（平衡相）。

3）室溫下Inconel 625具有相對(duì)較低的抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度，使其在工程中的使用受到一定的制約。而Inconel 625plus及Inconel 718合金均具有較高的室溫和中高溫度下的抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度，且均有良好的塑性，故此在工程中的使用價(jià)值相對(duì)更高些。