700 ℃先进超超临界锅炉候选合金GH984G的热拉伸行为研究

高 佩

(1.江苏银环精密钢管有限公司，江苏宜兴 214203;2.江苏大学 材料科学与工程学院，江苏镇江 212013)

0 引言

GH2984是一种综合性能良好的铁镍基高温合金，以Mo，Cr等元素固溶强化及Al，Ti，Nb和C等元素产生沉淀强化，并通过一定的Cr含量保证其良好的抗氧化和抗腐蚀性能，主要用于舰船用过热器，也是700 ℃先进超超临界锅炉用管材的重要候选材料[1-10]。GH984G是在GH2984的基础上通过提高Cr，Al及Ni含量，降低Fe含量，并添加微量B元素而研制出的一种改进型时效强化型高温合金，其高温持久性能、组织稳定性、抗氧化性等均得到提升，同时具有优良的加工性能[11-14]。目前，针对GH984G合金的研究主要为耐腐蚀性能、组织及性能、焊接工艺、热压缩试验等[13-16]，而有关GH984G合金热拉伸行为研究未见相关报道。参考国内高温合金热拉伸行为研究现状[17-21]，本文采用热模拟试验机及微观分析等手段研究GH984G合金在应变速率为1 s-1、温度为950～1 200 ℃时的热拉伸行为，为制定GH984G合金材料的热加工工艺提供理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

GH984G合金材料真空感应(VIM)+真空自耗(VAR)双联工艺冶炼，合金锭经过高温均质化热处理后快锻及径锻成规格为∅250 mm的坯料，坯料经精加工后在60 MN挤压机上挤压成规格为∅135 mm×16 mm的荒管，化学成分如表1所示。

表1 GH984G合金化学成分

1.2 试验方法

在上述GH984G合金荒管上截取一段长约130 mm的管段试样，然后线切割1个尺寸约为20 mm×10 mm×15 mm(长×宽×厚)的纵向金相试样和8个尺寸约为130 mm×12 mm× 15 mm(长×宽×厚)的纵向条状试样。

对纵向金相试样进行研磨、粗抛、精抛，并采用质量分数为10%的草酸进行电解侵蚀，然后在ZEISS Axiovert 40MAT型金相显微镜下进行观察，按GB/T 6394—2017《金属平均晶粒度测定方法》中规定的直线截点法测量平均晶粒尺寸，再采用ZEISS EVO18型扫描电子显微镜对合金中的第二相颗粒进行观察和能谱分析。

将8个纵向条状试样机加工成尺寸为∅10 mm×116 mm的热拉伸试样，两端螺纹尺寸为M10 mm×15 mm。采用Gleeble-3500型热模拟试验机将8个热拉伸试样以10 ℃/s的速率分别加热到指定温度并保温3 min后开始拉伸试验，试样断裂后立即快冷，加热温度分别为950,1 000,1 050,1 100,1 125,1 150,1 175,1 200 ℃，拉伸应变速率均为1 s-1，测量每个试样断裂后颈缩处的最小直径，然后计算断面收缩率Z。对每个拉伸断裂后的试样，一个断口采用扫描电子显微镜进行观察，并分析其形貌；另一个断口沿轴向切割后制成金相试样，并在金相显微镜下观察，然后利用图像分析软件Image Pro Plus6.0测量断口附近再结晶百分比。

2 结果与分析

2.1 热挤压管显微组织

GH984G合金热挤压荒管纵向侵蚀态光学显微组织如图1所示。

图1 GH984G合金热挤压荒管纵向金相组织

从图1可以看出，GH984G合金基体为奥氏体组织，且存在少量孪晶，合金平均晶粒尺寸为142 μm，平均晶粒度约2.3级。此外，合金晶界及晶内存在第二相颗粒，有的呈点状，有的呈链状沿纵向分布，扫描电镜下显微组织如图2(a)所示。经能谱分析可知，该第二相颗粒主要为富Nb，Ti的碳化物(如图2(b)所示)，碳化物尺寸最大达6 μm。

(a)碳化物形貌

(b)碳化物能谱分析

2.2 热塑性曲线

GH984G合金在应变速率为1 s-1时的抗拉强度及断面收缩率随温度的变化曲线如图3所示。可见，该合金在950 ℃的抗拉强度为539 MPa，且随着温度的上升，抗拉强度呈现连续下降趋势，当温度上升到1 200 ℃时，抗拉强度为145 MPa，达到最低；合金在950 ℃时的断面收缩率为68.6%，且随温度的上升呈现先增大、后减小的趋势，当温度上升到1 100 ℃时，断面收缩率为96.2%，达到最大值，塑性最佳，温度继续上升，断面收缩率开始缓慢下降，温度超过1 150 ℃后，下降速度加快，超过1 175 ℃时，急剧下降，直到温度为1 200 ℃时，断面收缩率达到最小值63.8%。合金在温度为1 000 ～ 1 175 ℃时，断面收缩率均≥85.4%，塑性达到最佳范围。

图3 GH984G合金热抗拉强度及断面收缩率 随温度的变化曲线

2.3 断口分析

图4示出GH984G合金在不同温度下进行热拉伸试验后断裂试样的宏观形貌。

图4 GH984G合金热拉伸后的宏观形貌

从图4可以看出，GH984G合金在不同温度下进行热拉伸后，均在试样中部发生了截面颈缩现象，且颈缩处缩减量随温度的升高而发生变化。当热拉伸温度为950 ℃时，试样断口截面有较明显的缩减，说明在该温度下合金具有一定的塑性；随着温度的升高，缩减量越来越大，说明合金的塑性也越来越好；当温度升高到1 100 ℃时，试样断口处缩减量达到最大，塑性最佳；随着温度的进一步升高，断口处缩减量开始缓慢减小，但不明显；当温度升高到1 175 ℃时，缩减量开始明显减小；当温度为1 200 ℃时，断口处缩减量最小。由此可见，GH984G合金热拉伸后的断口处缩减量变化与断面收缩率随温度的变化趋势一致。

GH984G合金在不同温度进行热拉伸后的试样断口宏观形貌如图5所示。合金在不同温度下的热拉伸断口尺寸随温度的升高而呈先减后增的趋势，且断口均有许多大小不等、深浅不一的圆形或椭圆形的韧窝及孔洞，随着温度的升高，单位面积内韧窝及孔洞数量逐渐增加，可见其塑性随温度的升高而增加。当温度超过1 100 ℃时，韧窝及孔洞数量开始缓慢减少，深度也开始缓慢变浅，但并不明显，塑性缓慢下降；温度继续升高，达到1 175 ℃时，断口尺寸开始增大，韧窝及孔洞数量明显变少，深度也明显变浅，温度升到1 200 ℃时，断口尺寸显著增大，韧窝及孔洞数量变少、深度变浅的程度更加显著。

图5 GH984G合金拉伸宏观断口形貌

GH984G合金在950，1 100，1 200 ℃进行拉伸后断口在高倍下的形貌如图6所示。可以看出，合金在950 ℃进行拉伸后，断口等轴韧窝多而浅，少量较深，可见合金具有较好的塑性，属于韧性断口；当温度为1 100 ℃时，试样断口布满了许多较深的孔洞和韧窝，少量韧窝较浅，塑性良好；当温度升到1 200 ℃时，断口有大量小韧窝，均较浅，伴有少量孔洞，此外断口出现了少量解理台阶，塑性下降。

图6 GH984G合金拉伸断口高倍形貌

2.4 金相组织分析

图7示出GH984G合金在不同温度下热拉伸断口的轴向显微组织，可以看出，在950 ℃进行拉伸时，原始晶粒沿试样轴向被拉长，在碳化物颗粒、原始晶界及孪晶界等处优先发生了局部动态再结晶，主要是因为这些位置形核能量较低，如图8所示。经测量，动态再结晶面积分数约为74.07%，再结晶晶粒平均尺寸约为4.91 μm；当温度升高到1 000 ℃时，动态再结晶面积分数增加到98.46%，再结晶晶粒尺寸长大到8.44 μm；当温度在1 050～1 200 ℃时，动态再结晶面积分数为100%，即发生了完全动态再结晶，此时形成了均匀的等轴再结晶晶粒，合金断口附近动态再结晶面积分数及平均晶粒尺寸随温度的变化曲线如图9所示。

当合金在950 ℃进行热拉伸时，裂纹源优先在碳化物颗粒与晶界界面处、原始晶界与动态再结晶交界处产生，且随拉伸应力的增加而不断扩展，最终发生断裂，如图8所示。

图7 GH984G合金拉伸断口轴向金相组织

图8 GH984G合金950 ℃拉伸断口轴向显微组织

综上所述，当GH984G合金在应变速率为1 s-1、温度在950 ℃及1 000 ℃进行热拉伸时，发生了局部动态再结晶，且温度越高，动态再结晶面积分数越大，且再结晶晶粒尺寸也越大；在1 050 ℃拉伸时，发生了完全动态再结晶。结合合金热拉伸强度及断面收缩率与温度的关系曲线、断口形貌及轴向显微组织，当应变速率为1 s-1时，GH984G合金最佳的热变形温度范围为1 050～1 175 ℃。

图9 GH984G合金动态再结晶面积分数及晶粒尺寸 与温度的关系

3 结论

(1)在应变速率1 s-1、温度在950～1 200 ℃范围内进行热拉伸时，随温度的升高，GH984G合金的抗拉强度不断下降，断面收缩率先增大、后减小；合金在1 000～1 175 ℃范围内塑性良好，其中在1 100 ℃时，塑性最佳。

(2)GH984G合金在950 ℃拉伸后，断口截面有明显缩减，且有许多等轴韧窝，具有一定的塑性；随着温度的升高，截面缩减量、单位面积内韧窝及孔洞数量均呈先增加、后缓慢减小的趋势，塑性也呈现相应的变化趋势；当温度达到1 200 ℃时，截面缩减量、单位面积内韧窝及孔洞数量均最小，塑性最差。

(3)GH984G合金在950 ℃进行拉伸时，发生了局部动态再结晶，且动态再结晶面积分数随温度的升高而逐渐增加，当温度在1 050～1 200 ℃时，发生了完全动态再结晶，且再结晶晶粒尺寸随温度的升高而不断长大。综上所述，当应变速率为1 s-1时，GH984G合金最佳的热变形温度范围为1 050～1 175 ℃。