朱懷沈 聶義宏 白亞冠 趙 帥 殷福星

(中國第一重型機械股份公司能源裝備材料科學(xué)研究所，天津300457)

我國以煤炭火力發(fā)電為電力生產(chǎn)的主要途徑，先進火力發(fā)電技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用對于滿足我國的電力能源需求、解決燃煤排放的環(huán)境問題有著巨大的現(xiàn)實意義。近十年來，歐美日相繼啟動了蒸汽溫度在700℃以上、以鎳基高溫合金為關(guān)鍵裝備部件材料的先進超超臨界火力發(fā)電技術(shù)(AUSC)的研發(fā)[1～2]。轉(zhuǎn)子作為電站設(shè)備的關(guān)鍵部件，性能要求高，工藝環(huán)節(jié)多，生產(chǎn)周期長。617合金是一種固溶強化的鎳基高溫合金，具有出色的綜合高溫強度和抗氧化能力。該合金具有較強的耐蝕性，且易于用現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)熱加工成形，可作為先進超超臨界汽輪發(fā)電機組高中壓轉(zhuǎn)子的候選材料[3]。

熱加工圖是一種基于動態(tài)材料模型(dynamic material modeling，DMM)建立的將材料本構(gòu)關(guān)系和微觀組織演化規(guī)律結(jié)合在一起對材料成形性能進行分析的方法。自Frost和Ashby于1982年提出加工圖理論以來，熱加工圖已在很多合金中得到成功應(yīng)用[4～5]。本文對617合金進行Gleeble高溫壓縮試驗，構(gòu)建熱加工圖，通過對不同變形溫

度及變形速率下試樣的金相分析研究617合金在不同變形條件下微觀組織的演變，繼而確定熱變形工藝參數(shù)，以期獲得組織性能良好的617合金鍛件產(chǎn)品。

1 試驗方法

試驗用617合金取自邊長90 mm的鍛態(tài)方坯，化學(xué)成分如表1所示。

表1 617合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of alloy 617 (mass fraction, %)

2 試驗結(jié)果分析

通過熱壓縮試驗得到了各種條件下617合金的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線，如圖1所示。在變形速率和變形溫度恒定的條件下，流動應(yīng)力隨著真應(yīng)變的增加而迅速增加直到峰值應(yīng)力后，呈緩慢波動下降，隨著真應(yīng)變的繼續(xù)增大也不再發(fā)生明顯變化。這是由于在變形的開始階段，材料隨著變形產(chǎn)生加工硬化，從而使應(yīng)力值快速增大；經(jīng)過一定程度的變形后，材料發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶和動態(tài)恢復(fù)，當(dāng)材料的加工硬化和再結(jié)晶引起的軟化達到動態(tài)平衡時，材料進入穩(wěn)態(tài)流變階段。

分別采集不同變形條件下穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力數(shù)值，觀察溫度及應(yīng)變速率對穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力的影響，如圖2、圖3所示?？梢钥闯?，隨著應(yīng)變速率的降低或是溫度的升高，穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力隨之減小。應(yīng)變速率較大時，溫度顯著影響穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力值。應(yīng)變速率對穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力的影響在較低溫度的時候表現(xiàn)的更加明顯。

3 熱加工圖及分析

動態(tài)材料模型[6]將變形體看作是一個功率耗散體，外界輸入變形體并使其產(chǎn)生塑性變形的能量主要轉(zhuǎn)化為以下兩方面：(1)由塑性變形轉(zhuǎn)化的熱量，用G表示；(2)變形過程中微觀組織變化而耗散的能量，用J表示。這一能量轉(zhuǎn)化可通過以下公式表達：

(1)

在一定溫度和應(yīng)變下，應(yīng)力和應(yīng)變速率存在如下關(guān)系：

(2)

圖1 617合金熱變形真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Figure 1 The curves of true stress and true strain of alloy 617 hot deformation

圖2 617合金熱變形應(yīng)力-溫度曲線Figure 2 The curves of stress and temperature of alloy 617 hot deformation

圖3 617合金熱變形應(yīng)力-應(yīng)變速率曲線Figure 3 The curves of stress and strain rate of alloy 617 hot deformation

圖4 617合金的功率耗散圖Figure 4 Power dissipation diagram of alloy 617

(3)

定義J/Jmax為能量耗散因子，表示為η，計算公式如下：

(4)

η是一個與應(yīng)變、溫度和應(yīng)變速率相關(guān)的三元變量，當(dāng)應(yīng)變?yōu)橐欢ㄖ禃r，就η與溫度和應(yīng)變速率的關(guān)系作圖，即得到功率耗散圖。

根據(jù)圖1中617合金高溫壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線，分別采集不同變形條件下應(yīng)變量為0.2、0.4和0.6時的流變應(yīng)力值，根據(jù)公式(1)～公式(4)，采用Matlab語言編程，計算得到617合金熱變形的功率耗散圖(圖4)?？梢钥闯?，不同應(yīng)變量下617合金的功率耗散峰值位置及分布趨勢大體相同。在應(yīng)變量為0.6時，功率耗散值變化范圍較大(0.067～0.412)。最大值出現(xiàn)在高溫低應(yīng)變速率的區(qū)域(1 200～1 250℃，0.001 s-1)，最小值在低溫高應(yīng)變速率的區(qū)域(850～875℃，1 s-1)。當(dāng)溫度在850～1 000℃、應(yīng)變速率在0.1 s-1～1 s-1時，隨著溫度的升高，功率耗散表現(xiàn)出明顯上升趨勢；當(dāng)溫度在1 150～1 250℃、應(yīng)變速率在0.05 s-1～1 s-1時，隨著溫度的升高，功率耗散表現(xiàn)出快速下降的趨勢；當(dāng)應(yīng)變速率小于0.01 s-1時，隨著應(yīng)變速率的減慢，功率耗散呈緩慢下降的趨勢?？傮w來看，變形溫度為950～1 250℃、應(yīng)變速率為0.002 s-1～0.1s-1的區(qū)域功率耗散值較大，基本都大于0.3；而變形溫度1 200～1 250℃、應(yīng)變速率小于0.02 s-1的區(qū)域功率耗散值更大，局部達到0.4以上。

但是并不是功率耗散值越大，材料的可加工性能就越好，由于在加工失穩(wěn)區(qū)也有可能出現(xiàn)功率耗散較大的情況，所以有必要先根據(jù)Ziegler判據(jù)計算出材料的加工失穩(wěn)區(qū)。定義參數(shù) 為材料變形失穩(wěn)系數(shù)，當(dāng)ξ<0時材料發(fā)生流變失穩(wěn)[7]：

(5)

在溫度-應(yīng)變速率的二維圖上標(biāo)出ξ<0的區(qū)域就得到加工失穩(wěn)圖。將加工失穩(wěn)圖與功率耗散圖疊加就得到了材料的熱加工圖。熱加工圖中的空白區(qū)為熱加工安全區(qū)域，η值越高，對應(yīng)的動態(tài)再結(jié)晶越有利于熱變形，材料的塑性好，且加工完后還會得到較好的組織。圖5中深色區(qū)域為變形失穩(wěn)區(qū)，加工中應(yīng)該避免在空洞區(qū)、晶界裂紋區(qū)及局部變形區(qū)加工。

4 組織分析

功率耗散值與材料熱加工過程中微觀組織的變化有關(guān)，可以利用η在一定變形條件下的典型值對這些微觀組織的演變機制進行解釋，并通過金相觀察得到驗證，從而在熱加工圖中可以確定與單個微觀成形機制相關(guān)的特征區(qū)域的大致范圍[8]。

為了驗證該熱加工圖的分析，選取圖5(c)中不同區(qū)域的壓縮試樣，將壓縮試樣縱向剖開，制備金相試樣，在光學(xué)顯微鏡下觀察試樣變形后的顯微組織。

在850℃、1 s-1變形條件下，即熱加工圖中區(qū)域?qū)?yīng)的功率耗散值為0.08～0.1。該變形條件下功率耗散值較低，大部分塑性變形功轉(zhuǎn)化為熱能，晶粒開始被壓扁拉長，但仍存在大量的孿晶組織和位錯，見圖6。當(dāng)應(yīng)變速率較大時，合金的動態(tài)再結(jié)晶不能充分進行，所得到的位錯密度和形變儲能較高，為再結(jié)晶形核提供驅(qū)動力。

在950℃、0.001 s-1變形條件下，即熱加工圖中區(qū)域?qū)?yīng)的功率耗散值為0.28～0.3。合金變形后被壓碎的奧氏體晶界上出現(xiàn)了較為細小的再結(jié)晶晶粒，但混晶組織也非常明顯，見圖7。

在1 150℃、0.01 s-1變形條件下對應(yīng)的功率耗散值為0.34～0.36。從圖8可以看出，變形后的晶粒為等軸晶組織，晶粒細小且分布均勻，表明此時已形成穩(wěn)定的再結(jié)晶組織。等軸組織的塑性和熱穩(wěn)定性最好，成形質(zhì)量較高。在加工圖理論中，功率耗散因子越高，該區(qū)域內(nèi)材料的組織性能越好，微觀組織的演變也驗證了加工圖的合理性。

圖5 617合金的熱加工圖Figure 5 Hot working drawing of alloy 617

圖6 617合金變形后的顯微組織(T=850℃、Figure 6 Microstructure of alloy 617 after deformation (T=850℃、

圖7 617合金變形后的顯微組織(T=950℃、.001 s-1)Figure 7 Microstructure of alloy 617 after deformation (T=950℃、.001 s-1)

圖8 617合金變形后的顯微組織(T=1 150℃、.01 s-1)Figure 8 Microstructure of alloy 617 after deformation (T=1 150℃、.01 s-1)

圖9 617合金變形后的顯微組織(T=1 250℃、.01 s-1)Figure 9 Microstructure of alloy 617 after deformation (T=1 250℃、.01 s-1)

但在1 250℃、0.01 s-1變形條件下對應(yīng)的功率耗散達到峰值(0.38～0.4)。雖然此時功率耗散值較高，但從金相照片中可以觀察到孔洞及裂紋，見圖9。這是由于此時變形溫度較高，低熔點的初熔相熔化產(chǎn)生的空洞及裂紋在變形過程中不斷長大，降低了該合金的高溫成形性能[9]。

5 基于加工圖的617合金熱加工工藝優(yōu)化

從對加工圖上相應(yīng)區(qū)域的顯微組織觀察可以看出，在功率耗散值較小(η<0.1)的A區(qū)材料變形抗力大，孿晶組織大量存在，不適合進行熱加工。B區(qū)功率耗散值較高(<0.3)，材料變形抗力較小，但并未獲得完全再結(jié)晶組織，組織均勻性差，不適宜進行熱加工。D區(qū)雖然功率耗散值高(>0.38)，但初熔相空洞較多，屬于加工失穩(wěn)區(qū)。加工圖上C區(qū)為完全再結(jié)晶區(qū)，功率耗散值高(0.34<η<0.36)且組織均勻，成形質(zhì)量高，加工性能好，適宜在該區(qū)域進行熱加工。

6 結(jié)論

(1)基于動態(tài)材料模型理論構(gòu)建了617合金應(yīng)變量為0.2、0.4和0.6的熱加工圖，分析表明溫度在950～1 250℃，應(yīng)變速率在0.002 s-1～0.1s-1的區(qū)域內(nèi)功率耗散值隨溫度的增加并逐漸增大，均達到0.3以上。

[1] International Energy Agency, 2008.

[2] A. Pirscher, B. Scarlin, R. Vanstone. Material development and mechanical integrity analysis for advanced steamturbines. Advances in materials technology for fossil power plants pr℃eedings from the fifth internationalconference, 2007, 338-352.

[3] I.G. Wright, P.J. Maziasz, F.V. Ellis, T.B. Gibbons, and D.A. Woodford, "Materials Issues for Turbines forOperations in Ultra-Supercritical Steam," Pr℃eedings of the 29th Internat. Conf. on Coal Utilization and FuelSystems, held April 18-23, 2004 in Clearwater, FL, Coal Technology Ass℃iation.

[4] Frost, H.J., Ashby, M.F., 1982. Deformation Mechanism Maps.Pergamon Press.

[5] Y.V.R.K. Prasad, S. Sasidhara (Eds.), Hot Working Guide: A Compendium of Pr℃essing Maps, ASM International, MaterialsPark, OH, 1997.

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[7] H. Ziegler, in: I.N. Sneedon, R. Hill (Eds.), Progress in SolidMechanics, vol. 4, Wiley, New York, 1963, pp. 63

[8] 鞠泉，李殿國，劉國權(quán).15Cr-25Ni-Fe基高溫塑性變形行為的加工圖[J].金屬學(xué)報，2006,42:218-224.

[9] 郭建亭．高溫合金材料學(xué)：應(yīng)用基礎(chǔ)理論[M]．北京：科學(xué)出版社，2008：171-173.