一种基于热力学模拟的消除R26合金中变形孪晶组织的热处理方法

本发明涉及新材料
技术领域：
，更具体地说，关于一种基于热力学模拟的消除r26合金中变形孪晶组织的热处理方法。
背景技术：
：在以燃煤为主的火电汽轮机中，其零件在服役时长时间处于高温和高压状态，连接机组各重要零件的高温螺栓一旦发生失效或断裂，将会引起机组的紧固力重新分布，威胁到整个机组的安全并造成巨大的经济损失。因此，对高参数火力发电机高温紧固件螺栓，进行相组成与组织分析以及高温力学性能研究，并对螺栓的安全服役提供理论和数据支持的研究也变得尤为迫切。r26合金属于ni-cr-co-fe系沉淀硬化高温合金，该合金由于含有较高的ni、co、cr、fe合金元素，所以在高温下具有优良的抗应力松弛性能和抗蠕变性能。但是在对服役后的合金进行组织分析时，发现了变形孪晶组织，该组织会增加合金的硬度与抗拉强度，降低材料的塑韧性，降低材料的抗蠕变性能，并且由于变形孪晶形成于变形过程中，合金中存在较大的内应力，导致变形孪晶界的稳定性较低。如专利cn109371473a公开了一种力热耦合消除nimnga单晶中孪晶的方法，将nimnga单晶加热到150-200℃并保温5-15min，然后在保持温度不变的情况下沿nimnga单晶的[100]方向施加单轴拉力，以在拉力作用下，在降温相变过程中消除nimnga合金t型结构马氏体单晶中的孪晶。因此，设计一种可实际操作的能够消除r26合金中变形孪晶及提升组织性能的热处理方法具有重大的应用价值。技术实现要素：针对上述问题，本发明提供了一种实用性强、可操作性高，且可有效改善合金材料的力学性能的基于热力学模拟的消除r26合金中变形孪晶组织的热处理方法。本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种基于热力学模拟的消除r26合金中变形孪晶组织的热处理方法，包括以下步骤：s1、将r26合金置于光谱仪中，测定该合金的化学成分，所述r26合金为含有变形孪晶组织的r26高温合金；s2、将步骤s1中测得的r26合金的化学成分导入jmatpro热力学模拟软件中，模拟计算出该合金的平衡相分布图和等温转变曲线(ttt曲线)；根据平衡相分布图，分析获得该合金组织中的相随温度的变化规律，确定该合金中η析出相的完全溶解温度t1，将t1以上30-50℃定为固溶处理温度，确定该合金中η相加热析出的突变点温度t2，将t2以上15-25℃作为热处理的中间处理温度；根据等温转变曲线，确定得到单项固溶体的临界冷速vc，据此确定能使合金在室温下得到单相饱和固溶体组织的冷却方式，使冷速大于vc；s3、根据步骤s2中确定的固溶处理温度、中间处理温度结合冷却方式，确定消除r26合金中变形孪晶组织的恢复热处理工艺；所述恢复热处理工艺包括以下步骤：(1)固溶处理：将r26合金送入热处理炉以8-10℃/min的升温速率升温至固溶处理温度，保温1h，油冷至室温；(2)中间处理：将固溶处理后的试样以8-10℃/min的升温速率升温至中间处理温度，保温8h，随炉冷却至725-735℃后保温4h，空冷至室温。本发明利用jmatpro热力学模拟软件r26合金的化学成分进行平衡相图模拟，找出r26合金组织中的相随着温度的变化规律，与异常组织进行分析对比，进而针对性的选择合适的节点温度作为热处理工艺温度，通过模拟材料的等温转变曲线(ttt曲线)，根据具体需要，设计各个热处理步骤中的降温工艺，进而确定用于改善异常组织的恢复热处理工艺，可省略不必要热加工环节，简化了工艺流程，降低了能源消耗与实验废弃物排放，注重经济效益与环境效益均衡；通过恢复热处理工艺对r26合金的异常组织进行消除，并在晶内重新析出均匀而弥散的强化相，改善合金力学性能，为螺栓的安全服役提供支持。优选地，所述步骤s1中，测定r26合金的化学成分中各元素的质量分数为：36.627％ni、0.24％al、20.89％co、19.28％cr、0.015％cu、16.00％fe、0.041％mn、3.16％mo、0.074％nb、0.16％si、0.25％ta、2.83％ti、0.36％w、0.005％b、0.068％c。优选地，所述步骤s2中将r26合金的化学成分导入jmatpro软件中，模拟计算出该合金的平衡相分布图的具体步骤为：将r26合金的化学成分导入jmatpro软件中的thermodynamicproperties模块，点击startcalculation，输出起始温度为1500℃，终止温度为600℃，step温度设置为5℃，即每5℃进行一次模拟计算，勾选takeallphasesintoaccount项目，点击startcalculation开始计算，模拟计算出该合金的平衡相分布图，根据平衡相分布图，作为确定该合金的固溶处理温度和中间处理温度的热力学依据。优选地，所述步骤s2中将r26合金的化学成分导入jmatpro软件中，模拟计算出该合金的等温转变曲线的具体步骤为：将r26合金的化学成分导入jmatpro软件中的phasetransformation模块，选择phasetransformation模块中的ttt/cctdiagrams项目，选择calculationtype为ttt曲线，amounttransformed参数设置为0.5％，勾选automaticstarttemperature项目，在tttphase中选择希望观察的相，勾选sigma相、gamma相与eat相，点击startcalculation，模拟计算出该合金的等温转变曲线，作为制定固溶处理和中间处理降温工艺的热力学和动力学依据。优选地，所述步骤(1)中升温速率为8℃/min。优选地，所述步骤(1)中固溶处理温度为1061-1081℃。优选地，所述步骤(1)中油冷的油温为25-60℃。优选地，所述步骤(2)中升温速率为8℃/min。优选地，所述步骤(2)中中间处理温度为835-845℃。本发明具有如下的有益效果：1、本发明利用jmatpro热力学模拟软件r26合金的化学成分进行平衡相图模拟，找出r26合金组织中的相随着温度的变化规律，与异常组织进行分析对比，进而针对性的选择合适的节点温度作为热处理工艺温度，通过模拟材料的等温转变曲线(ttt曲线)，根据具体需要，设计各个热处理步骤中的降温工艺，进而确定用于改善异常组织的恢复热处理工艺，可省略不必要热加工环节，简化了工艺流程，降低了能源消耗与实验废弃物排放，注重经济效益与环境效益均衡；通过恢复热处理工艺对r26合金的异常组织进行消除，并在晶内重新析出均匀而弥散的强化相，改善合金力学性能，为螺栓的安全服役提供支持。2、本发明方法可以针对性的消除合金中的变形孪晶组织，同时使热处理后的试样组织均匀化，改善合金在制造时出现的不合格组织，以及合金在服役时所产生的应力松弛现象，从而使其性能接近甚至超过原始水平，提高材料的抗蠕变性能和延长材料的服役寿命；长期服役后的r26合金经恢复热处理后，其抗拉强度可降低至1090-1125mpa，接近出厂态，较之长期服役后的合金降低5.1-7.7％；延伸率可升高至35-37％，接近出厂态，较之长期服役后的合金提高24.6-31.7％；冲击功可升高至41-47％，高于出厂态，较之长期服役后的合金提高113.5-144.8％；硬度降低至314-321hb，接近出厂态，较之长期服役后的合金降低7.5-9.5％，r26合金的使用寿命可延长50％。附图说明图1为本发明实施例的服役后未做热处理的r26合金的变形孪晶组织形貌图；图2为本发明实施例1的热力学模拟软件计算得到的r26合金的平衡相分布图；图3为本发明实施例1的热力学模拟软件计算得到的r26合金的等温转变曲线图；图4为本发明实施例2的服役后且经过热处理过后的r26合金的显微组织图。具体实施方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例和说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下述实施例中所用的试验材料和试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径获得。实施例中未注明具体技术或条件者，均可以按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。本发明采用的r26合金来自于某火力发电厂汽轮机高温紧固螺栓，服役时间为4.5万小时，其组织中的变形孪晶形貌见图1，该组织特征为：长度较短，宽度较小，且同个晶粒内的变形孪晶界的取向一般相同；该组织会增加合金的硬度与抗拉强度，降低材料的塑韧性，降低材料的抗蠕变性能，并且由于变形孪晶形成于变形过程中，合金中存在较大的内应力，导致变形孪晶界的稳定性较低。实施例1首先使用光谱仪测得服役后的r26合金的化学成分，测定该合金的化学成分中各元素的质量分数为：ni36.63％、al0.24％、co20.89％、cr19.28％、cu0.015％、fe16.00％、mn0.041％、mo3.16％、nb0.074％、si0.16％、ta0.25％、ti2.83％、w0.36％、b0.005％、c0.068％；打开jmatpro模拟软件，选择materialtypes为nifebasedsuperalloy，依次输入r26合金的各元素的质量分数，选择thermodynamicproperties模块中的steptemperature项目，点击startcalculation，输出起始温度为1500℃，终止温度为600℃，step温度设置为5℃，即每5℃进行一次模拟计算，勾选takeallphasesintoaccount项目，点击startcalculation开始计算，计算完成后可得到r26合金的平衡相分布图，测得的r26合金的平衡相分布图如图2所示；根据图2可知，各类析出相如：η相、σ相、m23c6型碳化物随着温度的增加，含量呈降低趋势，γ相基体随温度增加而含量上升，这代表在加热的过程中析出相会溶入奥氏体基体，当温度加热到800℃左右，σ相与m23c6型全部溶入基体，η相在820℃有一个含量下降的突变点，温度继续加热到1031℃时η相全部溶解，此时合金组织中，除了极少量的一次mc型碳化物外，全部为γ相过饱和固溶体，根据这些相组织的变化规律设计合适的热处理工艺参数；为了在固溶处理的过程中获得均匀的过饱和固溶体，又要确保固溶温度不会过高导致材料晶粒异常长大或超过合金的共晶点，于是将固溶温度设定为1061℃，另因为r26合金的标准固溶处理温度区间为20℃，所以设定两个参照组其固溶温度分别为1061-1081℃；将820℃时η相的溶解突变点作为中间处理温度参考值，设定中间处理温度为835-845℃；将时效温度设定为725-735℃，此温度稍高于螺栓的服役温度650℃，以保证螺栓组织在时效过程中析出相得到充分析出，在之后的服役过程中析出相的尺寸和数量保持稳定；打开jmatpro模拟软件，选择phasetransformation模块中的ttt/cctdiagrams项目，选择calculationtype为ttt曲线，amounttransformed参数设置为0.5％，勾选automaticstarttemperature项目，在tttphase中选择希望观察的相，勾选sigma相、gamma相与eat相；点击startcalculation开始计算，计算完成后可得到该合金的等温转变曲线(ttt曲线)如图3所示；根据3所示的结果可知，r26合金的过饱和单相固溶体具有良好的稳定性，固溶处理后，采取油冷的方式即可获得单相基体组织。根据上述步骤中的得到的固溶处理温度、中间处理温度，结合冷却方式，确定消除r26合金中变形孪晶组织的恢复热处理工艺为：(1)固溶处理：将r26合金送入热处理炉以8-10℃/min的升温速率升温至1061-1081℃，保温1h，油冷至室温，油冷的油温为25-60℃；(2)中间处理：将固溶处理后的试样以8-10℃/min的升温速率升温至中间835-845℃，保温8h，随炉冷却至725-735℃后保温4h，空冷至室温。实施例2本实施例的r26合金试样取自于某火力发电厂的，且服役时间为4.5万小时的汽轮机高温紧固螺栓，将该试样送入热处理炉以8/min的升温速率升温至1061℃，保温1h，然后置于30℃的油中油冷至室温；将处理后的试样以8/min的升温速率升温至840℃，保温8h，随炉冷却至730℃后保温4h，空冷至室温。将本实施例经过热处理的服役后的试样进行显微组织观察，观察结果如图4所示，然后与图1的未经过热处理的服役后的试样的变形孪晶形貌图进行对比，可以发现，本实施例经过热处理的服役后的试样中的变形孪晶组织消失，取而代之的是退火孪晶组织，其特征为：长度较长，宽度较大，同一个晶粒内的退火孪晶界没有固定的取向关系，呈随机分布，研究表明，退火孪晶界在高温高应力的条件下，可以阻碍位错的滑移，有利于材料高温蠕变寿命的提高，延长材料的服役寿命。实施例3本实施例的r26合金试样取自于某火力发电厂的，且服役时间为4.5万小时的汽轮机高温紧固螺栓，将该试样送入热处理炉以8/min的升温速率升温至1071℃，保温1h，然后置于30℃的油中油冷至室温；将处理后的试样以8/min的升温速率升温至820℃，保温8h，随炉冷却至730℃后保温4h，空冷至室温。实施例4本实施例的r26合金试样取自于某火力发电厂的，且服役时间为4.5万小时的汽轮机高温紧固螺栓，将该试样送入热处理炉以8/min的升温速率升温至1081℃，保温1h，然后置于30℃的油中油冷至室温；将处理后的试样以8/min的升温速率升温至820℃，保温8h，随炉冷却至730℃后保温4h，空冷至室温。力学性能试验检测将上述实施例2-4中经过热处理的服役后的试样，与出厂态螺栓，以及服役后未做热处理的螺栓分别进行力学性能试验，结果如表1所示。表1为试样力学性能试验结果试样抗拉强度rm/mpa延伸率a/％冲击功akv2/j硬度/hb出厂态108435.727.1319.5服役后未做热处理118628.119.2347.1实施例2109536.846.2314.4实施例3114635.241.3320.1实施例4112435.742.6319.5标准要求≥1000≥20—226-331由表1的结果可知，出厂态螺栓在服役过程中，由于应力松弛以及长期时效的过程中析出相聚集于晶界处，导致螺栓材料随着服役时间的增长，硬度和强度不断升高，塑性和韧性逐渐降低，产生应力集中直至萌发裂纹，发生失效事件。本发明方法可以针对性的消除合金中的变形孪晶组织，同时使热处理后的试样组织均匀化，改善合金在制造时出现的不合格组织，以及合金在服役时所产生的应力松弛现象，从而使其性能接近甚至超过原始水平，提高材料的抗蠕变性能和延长材料的服役寿命；长期服役后的r26合金经恢复热处理后，其抗拉强度可降低至1090-1125mpa，接近出厂态，较之长期服役后的合金降低5.1-7.7％；延伸率可升高至35-37％，接近出厂态，较之长期服役后的合金提高24.6-31.7％；冲击功可升高至41-47％，高于出厂态，较之长期服役后的合金提高113.5-144.8％；硬度降低至314-321hb，接近出厂态，较之长期服役后的合金降低7.5-9.5％，r26合金的使用寿命可延长50％。根据实施例3，实施例4的数据可知，实施例3中，由于其固溶温度较低，并没有使η相完全溶解，γ相转变不完全，使得其组织性能与原试相比样虽有提升，但达不到理想状态；实施例3中，虽然温度达到了η相完全溶解的温度，γ相转变完全，但是其固溶温度过高，导致奥氏体晶粒粗大，降低材料的组织性能，若想达到理想状态，需要追加正火热处理，增加了能源消耗与废弃物排放，不符合清洁生产理念；从实施例2的数据可得，经过本发明热处理方法得到的试样，在固溶处理的过程中，η相完全溶解，γ相转变完全，经过中间处理与时效处理后，试样晶粒大小分布均匀，内部连续性好，其强度与硬度恢复至出厂态水平，延伸率相较于原试样提升了8.7％，冲击功相较于原试样提升了140％，其塑韧性指标甚至超过出厂态试样，为最优热处理方案。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。当前第1页12