镍基合金TG700A服役条件下的组织演化

摘要

为了使燃煤电厂获得更高的热效率，减少二氧化碳的排放，发展700℃等级的先进超超临界(Advanced ultra-supercritical,A-USC)电站是十分必要的。高温部件材料是保证A-USC机组安全运行和提高效率的关键。镍基合金由于具有优异的蠕变强度和良好的耐腐蚀性能，成为了A-USC机组主要的候选材料。组织稳定性对于保持材料在高温长期服役过程中的力学性能和机组的安全性是至关重要的。因此，研究镍基合金在长期服役条件下的组织稳定性具有重要的意义。 TG700A合金，作为一种基础成分为Ni-25Cr-20Co的740H型镍基高温合金，是一种很有应用前景的A-USC机组候选材料。本文借助高温持久性能测试和组织表征等方法研究了TG700A合金在770℃长时间时效和蠕变期间的组织演化情况，探讨了应力对于该合金组织演化的影响；同时分析了时效处理对于组织演化和力学性能的影响。此外，讨论了该合金的蠕变断裂机制。 结果表明，在热暴露过程中，有应力和无应力的条件下晶内γ'相均发生了粗化现象，γ'相的粗化行为遵循扩散控制的LSW生长动力学模型；与供货态相比，标准热处理态的合金在热暴露期间γ'相的粗化速率更快。在应力作用下，晶界附近的组织发生了显著变化，晶界附近出现了析出相贫化区(Precipitate-free zones,PFZs)。通过化学成分和衍射图像分析，确定了在PFZs中粗化和伸长的第二相粒子为γ'；同时讨论了PFZs形成的主要机制。此外，PFZs的形成会影响其周围M23C6碳化物的尺寸和分布。在应力的作用下，小角度晶界比例明显增加。 随着时效时间的延长，合金的硬度呈现出先增加后降低的趋势。由于时效期间晶界M23C6的析出和长大，合金的室温冲击韧性逐渐降低，最后趋于稳定。由于第二相粒子的强化作用，合金均表现出了较高的蠕变抗力，但是随着时效时间的延长，蠕变表观激活能先增加后降低。 此外，在蠕变过程中的断裂模式以沿晶断裂为主；位错通过平面滑移运动逐步在晶界处积累，由于碳化物的阻碍作用以及PFZs的低强度，在晶界附近发生了较大的局部塑性变形，导致碳化物与PFZs界面处应力集中，并成为了空洞和微裂纹的起源。

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