冷却速率对700°C A-USC大型转子用Ni–Cr–Mo–Co合金微观结构稳定性及蠕变性能的影响

《Journal of Materials Research and Technology》：Effect of cooling rate on the microstructure stability and creep properties of Ni–Cr–Mo–Co alloy for 700 °C A-USC large-scale rotors

镍基合金C700R-1在超超临界应用中的热处理冷却速率对蠕变性能和微观结构的影响研究表明，慢速冷却（4°C/min）促进大尺寸γ'相（32 nm）和M23C6碳化物析出，显著提升蠕变强度（229 MPa/100,000 h）和微观结构稳定性，而快速冷却（35°C/min）导致更细小的γ'相（<10 nm）和M6C/M23C6碳化物比例降低，蠕变性能较差。

　　本研究聚焦于一种新型镍基合金C700R-1在先进超临界（A-USC）应用中的性能表现，尤其是其在热处理过程中不同冷却速率对微观结构稳定性和蠕变性能的影响。C700R-1合金基于IN617合金进行改进，其化学成分包括镍、铬、钼、钴、铝、钛、铌和碳等元素。这种合金在高温环境下具有重要的应用价值，特别是在大型蒸汽轮机转子锻件中，其性能直接关系到设备的可靠性和使用寿命。由于镍基合金的热导率较低，其在锻件冷却过程中，表面与核心区域的冷却速率差异显著，导致微观结构和性能在不同位置表现出明显的横截面效应。

在热处理后的冷却阶段，γ'相的析出行为受到冷却速率的显著影响。研究表明，缓慢冷却（4°C/min）促使大量γ'相析出，其尺寸可达约32纳米，面积占比约为21.6%。这种析出效果带来了更强的沉淀强化作用，从而显著提升了合金的蠕变断裂性能。相比之下，快速冷却（35°C/min）虽然也促使γ'相析出，但其尺寸较小，平均直径低于10纳米，面积占比约为19.3%。此外，缓慢冷却还促进了M6C型碳化物的析出，并形成部分锯齿状晶界，进一步增强了合金的高温蠕变性能。

在700°C/300MPa的测试条件下，缓慢冷却处理的试样表现出更长的蠕变断裂寿命，达到12,101小时，约为快速冷却试样寿命的两倍。同时，其蠕变断裂强度的预测值为229MPa，显示出更优越的高温稳定性。这种差异主要归因于γ'相的析出特性及其对材料强度的贡献。在快速冷却过程中，γ'相的析出更为均匀，但尺寸较小，因此其强化效果相对较弱。而缓慢冷却促使γ'相在更早阶段形成并达到稳定尺寸，从而提供了更持久的强化效果。

在高温长期时效过程中，γ'相的尺寸在初期迅速增长，随后逐渐趋于稳定。对于缓慢冷却处理的试样，γ'相在700°C下经过1300小时的时效后，其尺寸从32纳米增长至约60纳米，之后基本保持稳定，甚至在10,000小时后仍未出现显著变化，表明其达到了一种平衡状态。而快速冷却处理的试样则需要更长时间才能达到类似的稳定状态，其γ'相尺寸最终约为65纳米。这种差异意味着缓慢冷却处理的试样在长期使用中表现出更高的微观结构稳定性，能够有效抵抗高温下的结构退化。

除了γ'相的析出行为，碳化物的类型和分布也对材料的性能产生重要影响。在缓慢冷却处理的试样中，观察到较多的M23C6型碳化物，这些碳化物具有不规则边界，分布在晶界和晶内，有助于提高材料的高温性能。而在快速冷却处理的试样中，M23C6型碳化物的分布相对较少，且主要集中在晶界附近。值得注意的是，随着时效时间的延长，M23C6型碳化物的面积占比在缓慢冷却试样中有所增加，而快速冷却试样中则变化较小。

此外，研究还发现，缓慢冷却处理的试样在长期时效过程中，μ相的析出被延迟，且其体积分数较低。这种现象有助于提升材料的高温稳定性。相比之下，快速冷却处理的试样中，μ相更早析出，且其体积分数较高，可能对材料的性能产生一定影响。然而，由于μ相的含量较低，且尺寸较小，其对蠕变性能的影响并不显著。研究还指出，M6C型碳化物和μ相的析出在材料的晶界附近尤为明显，这与合金元素如钼、铌和钛在凝固过程中的偏析有关。

从宏观的断裂形态来看，缓慢冷却处理的试样表现出较为典型的晶间断裂特征，而快速冷却处理的试样则在某些晶界处显示出平行的条纹状裂纹。这些裂纹的形成与材料在高温下的应力集中和晶界滑动有关。在较低应力条件下，缓慢冷却处理的试样表现出更高的延展性，其断裂表面显示出明显的凹坑特征，这表明材料具有更好的塑性变形能力。

在工业生产中，大型蒸汽轮机转子锻件的直径通常超过1000毫米，因此在热处理过程中，表面与核心区域的冷却速率差异会更加显著。由于镍基合金的热导率较低，这种差异会导致材料性能在不同区域出现较大波动。然而，本研究发现，对于C700R-1合金而言，缓慢的内部冷却速率反而有助于提升其高温性能和微观结构稳定性。这表明，在实际生产过程中，应更加关注锻件表面的性能表现，以确保其满足高温运行条件下的要求。

总体而言，本研究通过系统的实验分析，揭示了冷却速率对C700R-1合金微观结构和性能的深远影响。缓慢冷却不仅促进了γ'相的析出和碳化物的形成，还有效延缓了μ相的析出，从而提升了材料的高温蠕变性能和长期稳定性。这些发现对于指导镍基合金在先进超临界蒸汽轮机中的应用具有重要意义，尤其是在确保材料在极端高温条件下保持结构完整性和性能稳定性的方面。