高温合金IN690碳化物析出及对组织的影响

张晓宇，王忠堂，程 明，郭胜利

(1.沈阳理工大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳110159;2.中国科学院金属研究所，辽宁沈阳110016;3.北京有色金属研究总院，北京100088)

高温合金IN690主要应用于压水反应堆核电站蒸气发生器传热管的生产材料［1］。其有别于早期的304不锈钢和316不锈钢，是在IN600合金的基础上增Cr到30%发展而来的一种新型镍基高温合金［2-3］。它不仅具有良好的冶金稳定性、较高的强度和优良的加工性，更在于其具有优异的抗应力腐蚀开裂能力，因而成为国内外核电材料研究的重点［4］。目前只有法国、日本和瑞典等少数国家可以生产合格的该合金管材，国内该材料的传热管绝大多数是采用进口［5］。鉴于我国大力发展核能发电的状况下，IN690合金作为其传热管的主要原料将获得更多的研究［6-7］。以上研究主要在于碳化物对抗腐蚀性能的作用，而很少关注其对晶粒组织的影响和挤压毛坯管中碳化物的变化规律。

目前，关于高温合金管材的主要问题在于生产出的成品管材组织不均匀和晶界碳化物的析出控制不好。而挤出毛坯管材的组织和碳化物对后续的成品管材的组织有很大影响。本文的重点研究IN690合金碳化物作用和其挤压过程演变规律，以提高管材质量。

1 实验方案

实验材料为高温合金IN690锻态棒材，φ120mm。固溶处理工艺参数为1050℃、1100℃、1125℃、1150℃、1175℃，保温时间5min 和10min。在Gleeble-3800热模拟试验机上进行热压缩实验，变 形 温 度 为 1050℃、1100℃、1150℃ 和1200℃，应变速率为 1.0、10.0、50.0、80.0s-1，最大真应变量为70%。热压缩完成后立即水冷到室温，以保留变形组织。采用Image软件进行晶粒大小和碳化物含量统计。

2 固溶处理温度对碳化物和晶粒尺寸的影响

不同固溶温度下的微观组织见图1，随着温度的升高，晶内和晶界处的碳化物颗粒逐渐减小，碳化物含量在1125℃时几乎为0。因而当合金中碳含量达到0.038%时，固溶处理温度达到1125℃。

图1 不同固溶温度下的微观组织

不同固溶处理制度下IN690合金的晶粒尺寸，见图2。由图2可知，随着固溶温度的升高，晶粒尺寸逐渐增大。在固溶处理的作用之下，通过回复和部分再结晶或再结晶造成晶界迁移，晶界迁动引起晶粒间相互并吞，以此形成了晶粒长大。而晶粒尺寸随着固溶时间的延长，晶粒也发生了长大。现有的研究结果表明，在固溶处理制度中，温度是影响晶粒长大的关键因素，而固溶时间对晶粒长大的影响并不大。因此当在一定的保温时间下时，固溶温度越高，晶粒尺寸也就越大。

图2 晶粒尺寸与固溶处理温度

晶粒尺寸长大曲线在1125℃时出现拐点，在此温度之后晶粒尺寸随温度的升高发生急剧长大。图3是碳化物的含量随固溶处理温度的变化规律，在1125℃时碳化物含量接近于零。对比分析两者原因，碳化物对晶界有钉扎作用，有碳化物存在于晶界时，晶粒长大缓慢。当碳化物溶解后脱钉，晶粒迅速长大。研究表明，在碳化物溶解温度附近固溶时，由于碳化物分布不均匀将导致溶解不均匀，出现二次再结晶，引起的晶粒异常长大。晶粒异常长大是高温合金晶粒度控制中急需解决的问题。因此研究碳化物的变化规律对晶粒组织均匀性有重要的影响。

图3 碳化物析出量与固溶处理温度

固溶温度对碳化物的影响见图3。碳化物对于管材的抗腐蚀性能有非常重要的作用，研究其固溶处理制度下溶解规律对于后续热处理制度十分重要。

3 压缩变形对碳化物和晶粒尺寸的影响

图4为压缩过程中碳化物随变形温度和变形速率的变化规律。在相同应变速率80s-1下，随着温度升高，晶内碳化物逐渐溶解变小;晶界碳化物析出越来越明晰。

在1200℃时晶粒均匀，碳化物沿晶界不连续均匀分布。有研究分析表明:挤压变形过程中碳化物，向晶界处转移。因而有碳化物的存在限制着晶粒的长大速度使其更加均匀，同时为后续的热处理碳化物析出提供了形核位置。从而使得管材的组织性能和抗腐蚀性能有很大的提高。

压缩变形温度为1200℃时，不同应变速率下的压缩微观组织见图5，在等温1200℃条件下，随着变形速率的升高，晶粒变小变均匀，同时碳化物沿晶界均匀析出。在变形速率80s-1时晶粒更加均匀。碳化物由于压缩变形向晶界处转移、聚集，形成不连续的细小分布。碳化物的在晶界处的钉扎作用限制了晶粒的快速长大，使晶粒的均匀性更好。

研究表明，碳化物偏聚是由于晶界处大量的位错和空位等缺陷，且晶界原子无序排列，具有较高的界面能，为碳化物提供便利的形核位置;压缩变形产生的变形热，使坯料温度升高有利于碳元素快速扩散并偏聚于晶界附近的缺陷处，与Cr、Ni、Fe等元素结合，在晶界处析出并长大以降低系统能量。因而在晶界处形成不连续分布，尺寸较小，有效增强了材料的晶间抗腐蚀能力。

图4 应变速率为80s-1下不同温度的压缩微观组织

图5 变形温度为1200℃时不同应变速率下的压缩微观组织

4 结论

(1)含碳为0.038%IN690在不同固溶处理制度下晶粒随固溶温度的升高而长大;碳化物含量随固溶温度的升高而减少。碳化物完全固溶温度为1125℃。

(2)对比不同固溶温度下晶粒的变化和碳化物含量变化表明:当碳化物存在于晶界处时，晶粒长大缓慢;当碳化物完全固溶后，晶粒迅速长大。分析原因在于碳化物存在于晶界处有钉扎作用，因而对晶粒的长大均匀性有重大影响。

(3)压缩实验表明了随压缩温度的升高晶内碳化物逐步溶解，并向晶界处转移。随变形速率增大，碳化物沿晶界不连续析出。在变形速率为1～80s-1和变形温度1050～1200℃条件下，变形速率为80s-1，变形温度1200℃晶粒更加均匀。

［1］张红斌，李守军，胡尧和，等.国外关于蒸汽发生器传热管用 Inconel690合金研究现状［J］.特钢技术，2003，8(4):2-11.

［2］Lee Woei-Shyan，Liu Chen-Yang，Sun Tai-Nong.Deformation behavior of Inconel 690 super alloy evaluated by impact test［J］.Journal of Materials Processing Technology，2004，153-154(11):219-225.

［3］张钱珍，程世长，刘正东.Inconel 690合金TT处理后的析出相［J］.钢铁研究学报，2010，21(6):40-44.

［4］张松闯，郑文杰，宋志刚.冷变形对Inconel 690合金力学行为与组织的影响［J］.钢铁研究学报，2009，21(12):49-54.

［5］KAI J J，YU G P，TSAI C H.The effect of heat treatment on the chromium depletion，precipitation evolution，and corrosion resistance of Inconel alloy 690［J］.Metallurcial Transactions A，1989，20(10):2057-2068.

［6］郝宪朝，陈波，马颖澈.热轧态Inconel 690合金中碳化物的溶解和析出［J］.材料研究学报，2009，23(6):665-672.

［7］朱红，董建新，张麦仓.固溶处理对Inconel 690合金组织影响［J］.北京科技大学学报，2002，24(5):511-513.