Page 87 - 理化检验-物理分册2023年第十二期
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王庆峰: 超超临界机组In783合金螺栓早期断裂原因及其应用建议


            ( SAGBO ) 脆性断裂。 SAGBO 脆性断裂的产生是                     弥散分布的γ' 相对In783合金的强度起到了决定性
            由于氧原子在应力的作用下更易沿晶界扩散, 偏聚                            作用  [ 11 ] 。贾新云等  [ 12 ] 研究了 β 时效对In783 合金
            在晶界处的氧原子使晶界发生氧化, 从而降低了晶                            组织及性能的影响规律。研究结果表明, In783 合
            界强度, 最后导致晶界脆化; 当局部晶界强度低于外                          金经过 时效处理后, 晶界上分布着链状的二次                      β
                                                                     β
                                                               相, 基体中分布着两种尺寸的γ' 相; 未经 时效处理
            加应力时, 便会产生沿晶开裂现象, 最后导致In783                                                           β
            合金螺栓发生沿晶氧化开裂。在标准热处理过程                              的组织中只存在初生          β 相和一种尺寸的 γ' 相; 从力
            中, In783合金经( 843±8 ) ℃时效后, 晶界处析出呈                  学性能上看, 经过       β 时效处理In783 合金的高温拉

            网状分布的二次 相, 从而使In783合金的SAGBO                        伸强度、 塑性和持久塑性明显优于未经                 β 时效处理
                           β
            抗力显著提高。在断裂的In783合金螺栓显微组织                           的In783合金。由此可见, 时效处理对In783合金
                                                                                      β
            中, 发现晶界处网状二次 相不连续且含量偏低, 说                          组织的性能及In783螺栓的服役性能有着重要的影
                                  β
            明断裂螺栓的       β 时效处理不规范, 是导致In783 合                 响。厂家应严格执行三级时效热处理工艺, 保证
            金螺栓发生 SAGBO 的主要原因。彭以超等                    [ 10 ] 认  In783合金优良的力学性能和 SAGBO 抗力, 从而
            为断裂螺栓In783合金固溶处理后的                  时效处理不          避免In783合金螺栓发生 SAGBO 脆性断裂。
                                              β
            充分, 导致合金中一次 相出现明显偏析, 呈条带分                         1.3.3 材料服役后性能下降
                                β
            布, 且晶界处呈网状分布的二次 相含量总体偏少。                               陶思友   [ 13 ] 采用未服役、 服役 1.3 万 h 和服役
                                         β
            断裂In783合金螺栓的疲劳裂纹基本沿晶扩展, 主                         3.9万h的In783合金螺栓, 系统地研究了服役时间
            要是由于应力促进晶界氧化导致疲劳裂纹沿着氧化                             对In783合金螺栓组织及性能的影响规律。研究结
            损伤区扩展, 裂纹扩展速率由晶界氧化速率控制, 与                          果表明: In783合金螺栓在服役过程中, 一次               β  相数
            时间具有一定的相关性, 断裂的In783 螺栓抗应力                         量减少, 二次 相数量增加, 尺寸增大, 连接形成“ 带
                                                                          β
            促进晶界氧化能力差的主要原因为晶界处缺乏呈网                             状组织”, 影响组织的连续性和均匀性。同时, 二次
            状分布的二次 相。                                         β 相内部析出了 Ni 5Al 3     相, 破坏了二次      β 相原有的
                         β

                In783合金的标准热处理工艺为: ① ( 1121±                    奥氏 体 结 构。这 一 变 化 导 致 二 次          β  相 带 来 的

            10 ) ℃ / 1h / 空冷( 固溶处理); ② ( 843±8 ) ℃ / 2~       SAGBO 减弱, 晶界腐蚀更易发生; 另一方面, 二次                 β

            4h / 空冷( 时效); ③ ( 718±8 ) ℃ / 8h / 炉冷55℃ /         相自身强度下降, 显微硬度分别降低了 23HV 和
                     β

            h 至 ( 621±8 ) ℃ / 8 h / 空 冷 ( γ'时 效 )。 高 温        33HV , 对In783合金螺栓晶界的强化效果减弱, 导

            ( 1121±10 ) ℃固溶处理, 其目的是消除成分偏析,                     致合金高温性能下降, 延伸率分别降低了46.9%和
            并溶解部分第二相, 强化固溶体, 并为后续时效做准                         49.3% 。除此之外, 合金的另外一个主要强化相 γ'
            备。经过( 843±8 ) ℃时效后, 二次            相在晶界处呈           相在服役过程中持续粗化, 从未服役时的53nm 到


                                            β
            网状分布, 从而使In783 合金的 SAGBO 抗力显著                      服役1.3万 h 的 60nm , 再到服役 3.9 万 h 的 74

            提高。颗粒状的一次 相和晶界处析出的网状二次                            nm , 导致合金在600℃下屈服强度上升, 分别提高

                               β
            β 相起到了明显抑制晶粒长大和强化晶界的作用。                            了3.8%和9.1% 。从性能变化规律上看, 在服役过

            合金经( 843±8 ) ℃时效处理后, 二次           β 相在晶界处          程中, 随着服役时间的延长, In783合金螺栓的屈服
            呈网状分布, 同时在晶内析出了较为粗大的 γ' 相。                         强度呈上升趋势, 分别提高了 3.8% 和 9.1% ; 抗拉
            再经过( 718±8 ) ℃ 和( 621±8 ) ℃ 两段时效处理                 强度略有降低, 延伸率呈下降趋势。研究结果进一


            后, 在上一级时效处理中, 析出的部分粗大 γ' 相回                        步指出, In783 合金螺栓在长期的高温环境下服役
            溶, 使粗大的 γ' 相含量降低, 同时在合金基体中析                        相当于在应力状态下经过了高温时效, 导致 γ' 相持
            出更为细小的 γ' 相。 γ' 相晶体结构为 Cu 3Au型面                    续粗化, 位错越过析出相所需的剪切力增大, 宏观表
            心立方有序结构, Al 原子位于角上, Ni 原子位于面                       现为材料的屈服强度上升。但由于材料的延伸率下
            心; γ' 相通常在基体中弥散均匀形核、 共格析出, 并                       降, 在高温拉伸过程中, 材料快速进入断裂阶段, 从
            且两者点阵常数相近, 因此错配度较小, 具有界面能                          而宏观上表现为材料的抗拉强度没有随着屈服强度
            低而稳定性高的特点; 同时, γ' 相本身具有很高的强                        的增大而增大, 反而略有降低。高温拉伸断口形貌
            度, 并且在一定温度范围内, 强度与温度成正比, 同                         分析也表明, 随着服役时间的延长, In783合金螺栓
            时还具有一定的塑性, 这些特点使得更为细小均匀                            在拉伸过程中进入裂纹快速扩展阶段的时间越来越
                                                                                                         7 1
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