IN706改进型合金韧脆转变温度研究.pdf

CFHI2024年 第2期（总218期）检查与测量CFHI TECHNOLOGY1.中国一重天津重型装备工程研究有限公司工程师，天津300457；2.中国一重天津重型装备工程研究有限公司高级工程师，天津300457；3.通讯作者，中国第一重型机械股份公司；黑龙江省高端核电装备智能制造重点实验室，研究员高级工程师，黑龙江齐齐哈尔 16104210.3969/j.issn.1673-3355.2024.02.15IN706改进型合金韧脆转变温度研究张冰冰1，白亚冠2，张鑫1，寇金凤2，聂义宏3摘要：在传统IN706合金的基础上，通过提高Al含量、降低Nb含量，得到改进型IN706合金。在-102160 温度范围内进行冲击试验，发现两种合金均未出现韧脆转变特征，改进型合金的冲击性能整体优于传统合金。通过观察断口形貌，发现不同冲击试验温度下，改进型合金的断口形貌无明显差别。关键词：改进型IN706；韧脆转变温度；冲击性能中图分类号：TG132.2文献标识码：A文章编号：1673-3355（2024）02-0015-03Study on Ductile-brittle Transition Temperature of Improved IN706 AlloyZhang Bingbing,Bai Yagua,Zhang Xin,Kou Jinfeng,Nie YihongAbstract:Improved IN706 alloy is obtained on the basis of traditional IN706 alloy by increasing the content of Al anddecreasing the content of Nb.Impact tests are carried out in the temperature range of-102160,results show thatneither alloy has ductile-brittle transition characteristics,and the impact performance of the improved alloy is better thanthat of the traditional alloy as a whole.By observing the fracture morphology,it is found that there is no significantdifference in the fracture morphology of the improved alloy at different impact test temperatures.Key words:Improved IN706;ductile-brittle transition temperature;impact performance近年来，随着航空涡轮机、火箭发动机、燃气轮机、核电站及化学热处理厂的不断发展，对镍基高温合金的需求越来越大。这些高温合金具有高塑韧性、良好的表面稳定性、抗高温腐蚀性和抗氧化性等优异的性能，对制造高性能燃气轮机有重要意义1。Inconel 706合金是一种析出强化的Fe-Ni基高温合金，拥有优异的机械性能和加工性能。由于化学成分稳定性高、不易偏析，可生产大直径产品，是制造燃气轮机相关部件的理想材料2。韧脆转变(ductile-to-brittle transition，DBT)是指固体材料的韧性随温度降低突然减小，由韧性断裂向脆性断裂转变的过程。韧脆转变具有突发性，从韧性转变为脆性的温度区间很窄，通常在1020 范围内。固体材料发生韧脆转变时的温度称为韧脆转变温度(DBTT)。在韧脆转变温度之上，固体材料呈现韧性状态，具有良好的变形能力；在韧脆转变温度之下，固体材料丧失全部塑性变形能力，在加载过程中发生脆性断裂3。体心立方金属4和部分密排六方金属5存在明显的韧脆转变特性。金属材料的韧脆转变特性对深空、深海、极地探索、核能、国防军工、航空航天、电子工业、辐射屏蔽等领域有重要影响。由于燃气轮机和汽轮机转子的工况环境比较严苛，需要保证在实际运行过程中不会发生韧性明显下降，故本文对IN706及其改进型合金的韧脆转变温度进行研究。1实验材料及方法本实验合金为传统IN706和改进型IN706合金，改进型IN706合金是为了满足700 超超临界汽轮机转子的工作需要，在IN706合金的基础上提高Al含量、降低Nb含量（见表1）。两种成分合金均采基金项目:黑龙江省自然科学基金杰出青年项目（项目编号：JQ2021E007）522024年 第2期（总218期）CFHI检查与测量一重技术用真空感应熔炼（VIM）+电渣重熔（ESR）的双联熔炼工艺冶炼，钢锭经均匀化处理后开坯锻造，最终制成15 mm的棒料。在两种棒料上分别取样进行-102、-57、0、40、80、160 下的冲击试验。冲击试样根据GB/T 229-1994金属夏比缺口冲击试验方法加工，试样尺寸为10 mm10 mm55 mm。按照标准要求，提前将试样浸泡在规定试验温度溶液中（低温溶液为酒精和液氮混合液，高温为油介质），取出后立刻进行冲击试验。每个温度条件准备三组试样，试验结束后取平均值作为该温度下的冲击功，利用CBD-500电子式摆锤冲击试验机进行冲击试验。而后，将不同温度条件下的断口浸泡在酒精溶液中，并在超声波清洗装置中清洗干净。在FEI Quanta 400扫描电镜（配备EDAXGenesis XM2 能谱仪）上观察断口形貌特征。2实验结果与分析2.1冲击性能及韧脆转变温度通过实验得到IN706和改进型IN706合金不同温度下的冲击试验结果（见图1），图中横坐标为试验温度，纵坐标为冲击功。可以看出，改进型IN706合金在不同温度下的冲击性能在整体上优于传统合金，在-102160 温度区间，冲击功6070 J，随着温度升高，冲击功先增加后减小。-102 时，冲击功为58 J，-57 时64 J；0 时为最高冲击功72 J；温度升高后，冲击功开始下降，160 时降至58 J。IN706合金在-102 时的冲击功为25 J，-57 时19 J，0 时升高为33 J，在40160，冲击功均为30 J。研究6表明，一般金属材料的冲击功与试验温度的关系曲线为S型（见图2），在高温区，材料的冲击功比较高，随着试验温度降低，冲击功也逐步降低。当温度降到转变温度区间时，材料冲击功会急剧下降，直至变成一条水平线。由图 1可知，两种合金均不符合发生韧脆转变的条件，均未发生韧脆转变现象。根据韧脆转变机制理论8，在变形过程中形成的微裂纹会导致应力集中，裂纹持续扩展最终导致脆性断裂；如果可以钝化裂纹，材料就会表现出较好的塑性变形能力，而钝化裂纹尖端的过程需要位错不断形核来完成。形核速率的快慢取决于位错运动的快慢9。低温时由于缺少活跃的位错源，位错形核在变形过程中起到重要的作用。当温度足够高后，材料内部可以产生充足的活跃位错源，位错运动能力决定位错源形核的速率，位错运动越快，位错形核越多。体心立方和密排六方结构材料的位错阻力对温度变化非常明显，低温下位错阻力急剧增加，位错运动受限，形核能力减弱，无法有效钝化微裂纹，表现出脆性；而IN706类面心立方金属材料位错宽度较大，温度变化对位错运动阻力的影响很小，在低温下也能通过位错运动形核钝化裂纹，不会出现韧脆转变。与传统IN706合金相比，改进型IN706合金Al含量提高，Nb含量降低，能有效消除合金中Laves等TCP相，促进强化相的析出，提高合金的力学性能，改进型合金的冲击性能得到明显改善。2.2冲击断口形貌特征通常情况下，冲击试样断口除了切口底部的断裂源外，一般由纤维区、放射区和剪切唇三部分构表1实验合金成分表（wt.%）合金IN706改进型IN706Cr16.116.3C0.0340.027Ti1.641.79Al0.391.21Nb2.932.05Ni41.1341.52FeBalBal图1不同温度下的冲击试验结果图2韧脆转变温度曲线753CFHI2024年 第2期（总218期）检查与测量CFHI TECHNOLOGY成。断口上三个区域所占比例的大小标志着材料韧性的优劣。当试验条件一致时，纤维区和剪切唇所占比例越大，材料的韧性越好10。通过扫描电镜观察改进型IN706合金在不同温度下的冲击断口形貌，合金断口上基本由纤维区和剪切唇组成，说明合金整体韧性较好（图略）。随着温度的变化，纤维区和剪切唇所占比例无明显变化，而合金的冲击功基本在6070 J左右，组织和性能表现一致。合金断口表面凹凸不平，主要以浅韧窝和准解理为主，韧窝形状不规则，分布不均，在韧窝周围能看到明显的白色撕裂棱。在较大尺寸韧窝内部均存在块状夹杂（见图3），通过能谱分析为（e）碳化物夹杂（a）-102（c）40（b）0 图3改进型IN706合金冲击断口微观形貌（d）160 含Nb、Ti的碳化物。韧窝内的夹杂物颗粒是微孔形成的核心，在加载力的作用下，初始裂纹沿受力方向延长，形成空洞（裂纹扩展阶段），空洞连接最终导致金属断裂。3结 语（1）IN706及其改进型合金均不存在韧脆转变特征，由于成分得到优化，改进型IN706合金的冲击性能更好，体现出更好的服役性能。（2）不同试验温度下，改进型IN706合金的冲击断口形貌均为浅韧窝和准解理，且韧窝内部存在块状碳化物。参考文献 1 Sharma P,Chakradhar D,Narendranath S.Evaluation of WEDMperformance characteristics of Inconel 706 for turbine diskapplicationJ.Materials&Design,2015,88:558-566.2 Priyaranjan,Sharma,D,et al.Effect of wire diameter on surfaceintegrity of wire electrical discharge machined Inconel 706 for gasturbine applicationJ.Journal of Manufacturing Processes,2016:10.3 韩卫忠,卢岩,张雨衡.体心立方金属韧脆转变机制研究进展J.金属学报,2023,59(3):14.4 Ortner S R.The ductile-to-brittle transition in steels controlledby particle cracking J.Fatigue Fract.Eng.Mater.Struct.,2006,29:752.5 Pszonka A.On the ductile-brittle transition of polycrystalline zincJ.Scr.Metall.,1974,8:81.6 寇金凤,聂义宏,白亚冠，等.汽轮机转子镍合金锻件韧脆转变温度研究J.一重技术,2016(1):5.7 周昌玉,夏翔鸣.CrMo钢材料韧脆转变温度曲线的回归分析J.压力容器,2003,20(6):6.8 Rice J R,Thomson R.Ductile versus brittle behaviour of crystalsJ.Philos.Mag.,1974,29A:73.9 Gumbsch P,Riedle J,Hartmaier A,et al.Controlling factors forthe brittle-to-ductile transition in tungsten single crystals J.Science,1998,282:1293.10 王献钧.舰船结构钢的夏比冲击韧性与断口形貌J.材料开发与应用,1995(2):4-5收稿日期：2023-11-1454