一种解决R26合金带状细晶异常组织的热处理工艺研究

吕振家 彭建强 鞠红霞 冯天澍 韩 亮 闫红博

(1.哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，黑龙江150046；2.黑龙江科技大学，黑龙江150022)

R26是一种Fe-Ni-Co-Cr基沉淀硬化型高温合金，具有良好的室温综合性能、高的持久蠕变强度和低的缺口敏感性以及优良的抗应力松驰性能，广泛用于超临界、超超临界汽轮机叶片、紧固件等高温部件。然而，在实际生产中，部分炉号的R26合金棒材，特别是轧制棒材，在标准热处理之后，会出现带状细晶组织。由于晶界在高温下是薄弱位置，因此，通常希望高温材料能获得相对较粗的晶粒。目前，对于该合金的研究，多在锻造工艺、化学成分对性能的影响等方面[1-3]，对于R26合金细晶带组织的研究，尚未见报道。

本文针对某炉号轧制R26合金棒材出现的细晶带问题，分析了问题产生的原因，并通过试验研究，找到了解决此问题的手段，即通过增加预备热处理，可以消除细晶带。而且，实验室试验结果及批量产品工艺试验结果表明，增加预备热处理不会影响合金室温拉伸和高温持久等性能。

1 试验材料

试验材料采用真空感应炉+电渣重熔工艺冶炼，轧制成形，成品规格为∅75 mm。化学成分和性能要求分别如表1和表2所示。

表1 试验材料化学成分要求(质量分数，%)Table 1 Chemical composition requirements of tested material(mass fraction,%)

表2 力学性能要求Table 2 Mechanical properties requirements

R26合金的标准热处理工艺如下：

1025℃±13℃×1 h，油冷或水冷+815℃±8℃×20 h，炉冷至730℃±8℃×20 h，空冷。

2 问题描述及原因分析

2.1 问题描述

棒材轧制完成后，检查金相，发现组织均匀，晶粒度为7.0级～8.0级，但是标准热处理后检查组织，发现组织非常不均匀并存在大量细晶带，晶粒度为4.0级～7.0级，如图1所示。但是，棒材的室温拉伸性能满足标准要求，如表3所示，且强度和塑形都有较好的富裕度。

轧制态(100×)标准热处理后(100×)

图1 轧制态和标准热处理后的组织Figure 1 Microstructure in rolled state and that after standard heat treatment

图2 异常组织(500×)Figure 2 Abnormal structure(500×)

1050℃处理前4.0级60%,7.0级40%1050℃处理后3.0级90%,7.0级10%1080℃处理前4.0级～7.0级1080℃处理后3.0级1100℃处理前4.0级～7.0级1100℃处理后3.0级

图3 预备热处理前后的组织比较(100×)Figure 3 Comparison of microstructures before and after preparatory heat treatment(100×)

图4 预备热处理与补充固溶的晶粒度对比(100×)Figure 4 Comparison of grain size between preparatory heat treatment and supplementary solid solution(100×)

图5 返修前后组织对比(100×)
Figure 5 Microstructure comparison before and
after repair(100×)

2.2 原因分析

R26合金经标准热处理后的组织由γ基体、γ′相、TiC、TiN、M3B2型硼化物、M6C型碳化物组成。合金中的一次相主要是TiC和TiN，以夹杂物的形式沿加工方向分布，成块状或条状，个别呈带状。合金异常组织在500倍下的照片如图2所示，可以看到沿加工方向的TiC、TiN，以及沿晶界分布的大量硼化物和碳化物。由于这些夹杂物和碳化物等颗粒对位错移动有钉扎作用，阻碍了晶粒的长大，从而导致细晶带的形成。

3 解决方案

3.1 试验方案

根据形成细晶带的原因，制定了增加一道预备热处理的工艺，即提高固溶温度，使硼化物和碳化物溶解，进而使合金发生充分的静态再结晶。将试样分别加热到1050℃、1080℃、1100℃，保温时间均为1 h，之后进行金相组织检查，见图3。

从图3可以看出：

(1)经过1050℃处理后，带状细晶明显减少，但是没有消除；

(2)经过1080℃和1100℃处理后，带状细晶全部消除，且组织均匀，平均晶粒度为3.0级。

这说明，经过1080℃和1100℃处理后，合金中的硼化物和碳化物发生了回溶，合金发生了充分的静态再结晶；而1050℃处理后，仅有部分硼化物和碳化物发生了回溶，静态再结晶不够充分。

表4 返修前后力学性能比较Table 4 Mechanical properties comparison before and after repair

预备热处理后进行标准热处理，存在晶粒继续长大的风险，因此，对经过1080℃和1100℃处理的试样重新进行了1030℃固溶，结果如图4所示。可以看出，再经过一次1030℃固溶处理，组织仍然保持均匀，且晶粒度不变，仍为3.0级。

3.2 试生产

采用1080℃预备热处理+标准热处理工艺对存在细晶带的棒料进行大炉试生产，之后进行了金相组织、室温拉伸和高温持久等性能试验，结果分别如图5、表4所示。

从检测结果可以看出：

(1)组织：预备热处理很好地改善了材料组织，使原来的混晶组织变为均匀组织，且经过预备热处理+标准热处理后，晶粒度也满足标准要求。

(2)室温强度：与存在细晶带组织材料的室温拉伸强度相比，增加预备热处理后，材料的屈服强度、拉伸强度有所下降，这主要是因为在室温下材料主要依靠晶界强化，而增加预备热处理后，原有的细晶粒变粗，晶界强化减弱，所以强度降低。

(3)高温持久性能：在增加预备热处理前，由于细晶带的存在，导致材料的高温持久性能下降，在650℃、540 MPa条件下，持久时间仅为85 h，不满足标准要求；而增加预备热处理之后，由于消除了细晶带，材料的组织均匀，且晶粒较为粗大，显著提高了材料的持久强度，同样试验条件下，持久时间为320 h，几乎是存在带状细晶材料的4倍。

4 总结

针对R26合金棒材在实际生产中遇到的细晶带问题，分析了出现细晶带的原因，提出了解决方案，并采用确定的最佳方案进行了大炉试生产，结果表明，通过增加一道预备热处理，可以有效地消除细晶带组织，且经过预备热处理+标准热处理后，棒材的组织均匀，晶粒大小适当，室温拉伸和高温持久性能优异。