硼、磷对镍铁基熔敷金属微观组织及蠕变性能的影响研究

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GH984G合金是我国自主研发的镍铁基高温合金,其有高温性能好、成本低、可加工性好等优点,成为我国700℃级先进超超临界燃煤电站锅炉承温部件的候选材料之一。焊接是火电站重要的热加工技术,焊材与母材的适配程度更是决定了焊接质量,因此GH984G合金的配套焊材的研发是必要的研究工作。火电承温部件在长期服役过程中的微观组织稳定性与持久性能是部件材料研究关注的重点内容。硼(B)和磷(P)是影响高温合金持久性能的微合金化元素。锻态及铸态GH984G合金中B和P的作用已有相关研究,而B和P对熔敷金属微观组织及蠕变性能的影响尚缺乏系统性研究,不同体系不同状态中微量元素的作用机制不尽相同。本文系统研究了 B和P元素对镍铁基熔敷金属微观组织及持久性能的影响,为GH984G合金的配套焊材设计提供理论依据。结合超超临界燃煤电站热端部件的持久性能要求,重点研究了钨极氩弧焊熔敷金属中B和P合金化与高温蠕变性能和长期时效过程中微观组织稳定性的内在联系,论文主要研究内容及结论如下:分析了 B和P对焊态及750℃/8h时效态熔敷金属微观组织的影响,结果表明,焊态熔敷金属中B主要偏聚于晶界上,P主要存在于MX相中,B和P对焊态熔敷金属微观组织没有明显影响。750℃/8h时效后,B仍偏聚于晶界,一部分B以原子状态降低晶界自由能,促进M23C6的形核,另外部分B固溶于晶界M23C6中形成了 M23(C,B)6型碳硼化物,提高了 M23C6的晶界覆盖率。P主要存在于MX相,少量P偏聚于晶界,降低晶界自由能,促进了 M23C6的形核。晶界上B和P之间存在位置竞争关系。探讨了不同B、P含量对熔敷金属750℃长期时效过程中的微观组织演变的影响。结果表明,长期时效过程中晶界M23C6发生粗化,M23C6粗化初期所需原子主要由附近的γ基体提供,M23C6粗化后期所需原子主要由尺寸较小的M23C6供应,导致后期粗化速率减慢,B、P对晶界M23C6的粗化速度无明显影响。长期时效后,B分布状态与时效态相似,主要偏聚在晶界,部分以原子形式存在,另一部分B依然固溶于晶界M23C6中,且M23C6中的B含量稳定在1.2 at.%左右;P分布状态与时效态相似,偏聚于MX相及晶界上,MX相中P含量稳定在0.2 wt.%左右,晶界上的P可以抑制M23C6沿晶界方向生长,使其保持颗粒状。长期时效过程中,B、P在晶界上依旧存在位置竞争关系。长期时效过程中主要强化相γ’相发生粗化,B或P对γ’相的粗化过程无明显影响,且γ’相粗化过程均符合Ostwald粗化理论。750℃/3000h时效后枝晶间及晶界附近区域析出了 η相,η相由γ’相聚集转变而成。750℃/3000 h时效后,MC相发生了两种退化反应:MC+y→M23C6+γ’和MC+γ→M23C6+η。未观察到B和P对η相析出与MC相的退化有明显影响。讨论了不同B、P含量对熔敷金属在750℃下的蠕变行为的影响,结果表明,添加B、P后蠕变寿命均增加、蠕变速率均减小、蠕变第二、三阶段均显著延长。B和P促进晶界上离散M23C6的形成,阻碍晶界滑移,并抑制晶界裂纹扩展,从而提升蠕变性能。此外,B和P还可以偏聚在晶界,降低晶界能,提升晶界结合力,从而改善蠕变性能。不同B、P含量的熔敷金属主要断裂方式均为沿晶断裂,随着应力水平降低,蠕变寿命增加、蠕变速率减小、稳态蠕变阶段相对整个蠕变阶段的时间占比增加,表面裂纹向内扩展深度增加,断裂延伸率无明显差别。Larson-Miller参数与应力呈较好的线性关系。750℃蠕变后B和P的原子分布状态与无应力条件下基本一致,表明应力对B和P在熔敷金属中的分布无明显影响。
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