用内耗表征和分析镍基镍铁基高温合金晶界特性的方法

摘要

本发明一种用内耗表征和分析镍基镍铁基高温合金晶界特性的方法，包括1)将不同的合金试样采用不同的固溶或时效热处理后冷至室温；2)从热处理后的试样上加工内耗实验用试样；3)在室温至1000℃内，将实验用试样再次加热，升温速率为1～5℃/分钟，应变振幅为0.5～2.0×10‑5，测量试样0.5～10.0Hz的振动频率范围内的内耗值；4)利用数据分析软件，获得测量的温度范围内，不同频率下实验用试样的内耗曲线；5)利用内耗曲线获得不同测量频率下晶界内耗峰的高度和对应的绝对温度；6)根据实验用试样再次加热的参数，不同测量频率下晶界内耗峰的高度和对应的绝对温度，得到晶界内耗峰对应温度偏移和晶界弛豫激活能。

说明书

技术领域

本发明涉及高温合金材料晶界特性的测试和分析，具体为用内耗表征和分析镍基镍铁基高温合金晶界特性的方法。

背景技术

在燃煤发电领域，国内外目前都在研发下一代高效清洁的700℃超超临界发电技术，实现这一技术的关键是研发出满足700℃电站服役要求的镍基和镍铁基高温合金，从而制备出锅炉和汽轮机的高温部件。700℃电站用的高温合金是多晶材料，材料中存在大量的晶界，晶界的特性直接影响材料的服役性能，如拉伸性能、持久强度、冲击韧性、抗氧化和抗腐蚀性能。因此，准确地揭示合金的晶界特性，对于此类高温合金的研发，特别是晶界的设计具有重要的应用价值。

固体在机械振动中由于内部固有的结构原因引起的振动能量损耗，称为内耗，它在工程上是材料阻尼性能的一种指标。通常测量内耗的应力幅是在弹性范围内，不产生塑性变形，由于材料的滞弹性，应变要经过一个弛豫过程才能达到与应力相对应的平衡值。在应力撤除后，应变经过弛豫又逐渐回复到零。

高温合金研发常用的表征晶界结构的方法主要是通过不同的显微方法来获取晶界结构的图像信息，如光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、三维原子探针(3D atom probe)等。这些方法的缺点是只能反映材料局部区域的晶界部分结构特征，不能完整地展示材料晶界的本征特性。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种能够全面反应晶界本征特性，测试简单方便的，用内耗表征和分析镍基镍铁基高温合金晶界特性的方法。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种用内耗表征和分析镍基镍铁基高温合金晶界特性的方法，包括以下步骤：

1)将不同的合金试样采用不同的固溶或时效热处理后空冷或者水淬至室温；

2)从热处理后的试样上切割加工内耗实验用试样；

3)在室温至1000℃范围内，将实验用试样再次加热，升温速率为1～5℃/分钟，应变振幅为0.5～2.0×10^-5，测量试样0.5～10.0Hz的振动频率范围内的内耗值；

4)利用数据分析软件，扣除内耗的背底，获得测量的温度范围内，不同频率下实验用试样的内耗曲线；

5)利用数据处理后得到的内耗曲线获得不同测量频率下晶界内耗峰的高度和对应的绝对温度；

6)根据实验用试样再次加热的参数，以及不同测量频率下晶界内耗峰的高度和对应的绝对温度，得到晶界内耗峰对应的温度偏移和晶界弛豫激活能，用于表征和判断晶界结合强度的高低。

优选的，步骤1)中，将合金试样放入热处理炉中进行对应的热处理。

优选的，步骤2)中，内耗实验用试样的长宽高尺寸为60～90mm×1.5～2.5mm×0.7～1.0mm。

优选的，步骤6)中，相同测量频率下，不同的热处理状态、微量元素含量和合金成分中一种或几种因素影响下的晶界内耗峰对应的温度偏移，来判断晶界结合的强度高低，当向高温偏移时，则表明晶界结合强度高。

优选的，步骤6)中，通过如下公式得到晶界特性参数晶界弛豫激活能，判断晶界结合的强度高低，晶界弛豫激活能大，则晶界结合强度高；

2πfτ₀exp(E/kT_p)＝1

上式中，f为测量频率，τ₀为指数前因子，E为晶界弛豫激活能，k为玻尔兹曼常数，T_p为晶界内耗峰峰温。

进一步，对所述的公式利用lnf对(-1/T_p)进行线性回归，得到斜率和截距，进而得到晶界特性参数晶界弛豫激活能E和指数前因子τ₀。

优选的，步骤3)中，所述的实验过程采用低频扭摆式内耗仪进行。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明运用内耗的方法来表征和分析700℃电站用镍基和镍铁基高温合金的晶界特性，试样制备过程简单可以在低频扭摆式内耗仪上完成。内耗测试温度必须覆盖合金的服役温度区间；应力振幅不能太大，要保证试样不产生塑性变形；测量频率不能太高，要保证在测试温度范围内可以观察到晶界内耗峰；升温速率要保证试样温度均匀，在每个温度下试样有足够的时间通过晶界弛豫达到与外加应力相匹配的平衡状态。通过上述内耗试验参数的选择，能够保证实验的客观性和实用性。晶界内耗就是由晶界引起的内耗，由于晶界内耗峰能够灵敏地反映晶界的状态；本发明实验结果是试样中全部晶界对外加应力的一种响应，能够反映材料中晶界的本征特性，采用其它的实验方法，不能给出这些有用的结果。采用本发明的方法，选择特定的升温速率、应变振幅、温度和频率范围，采用内耗的方法来表征和分析，可以深入分析热处理状态、微量元素含量、合金成分等对700℃电站用镍基和镍铁基高温合金晶界特性的影响；晶界特性和合金持久性能、冲击性能和拉伸性能密切相关，对于研发新型700℃电站用镍基和镍铁基高温合金具有重要的应 用价值。

附图说明

图1未添加P的Ni-Fe基HT700合金内耗曲线。

图2加P的Ni-Fe基HT700合金内耗曲线。

图3固溶态的Inconel 740H内耗曲线。

图4时效态的Inconel 740H内耗曲线。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明中对实验用试样的热处理状态、微量元素含量和合金成分会影响晶界处析出相的形态、数量、尺寸和分布，以及晶界处元素的偏聚，进而影响合金的晶界结合强度，这种影响能够通过晶界内耗峰的峰温偏移和晶界弛豫激活能反映出来。相同测量频率下，晶界内耗峰对应的温度向高温偏移，则表明晶界结合强度高。另外，晶界弛豫激活能大，也反映晶界结合强度增加。以下以具体的实施例进行说明。

选取了添加磷(P)和不添加P的Ni-Fe基HT700合金，以及不同热处理状态的Inconel 740H合金，进行了内耗实验，测试和分析其晶界特性。

加P和不加P的Ni-Fe基HT700合金，热处理制度相同，具体为：1100℃保温1h，空冷至室温，然后在800℃保温16h，空冷至室温。

固溶态的Inconel 740H热处理制度为：1150℃保温1h，水淬至室温；

时效态的Inconel 740H热处理制度为：1150℃保温1h，水淬至室温，然后在800℃保温16h，空冷至室温。

内耗测试条件：试样尺寸为70mm×2mm×1.0mm，测试温度范围为室温至850℃，升温速率为2℃/分钟，应变振幅为1×10^-5，测试频率为0.5Hz、1.0Hz、2.0Hz和4.0Hz。

不同合金试样的内耗曲线如图1～4所示，对内耗曲线的结果，进一步分析后，得到的结果见表1。

对比添加P和不添加P的Ni-Fe基HT700合金(表1、图1和图2)，添加P的试样在四个测试频率下出现晶界内耗峰的温度稍微偏高，晶界弛豫激活能略微增加。这表明加P的样品在更高的温度下才能达到与测试频率相匹配的晶界弛豫时间。说明P对合金的晶界滞弹性有影响。适量的P会增加晶界的结合强度，影响材料的持久性能。

对于Inconel740H合金(表1、图3和图4)，时效态的试样出现晶界内耗峰的温度比同频率下固溶态的样品要高。时效态和固溶态的晶界弛豫激活能分别为3.53eV和3.01eV，时效态样品的晶界弛豫激活能比固溶态的要高。这可能与晶界处碳化物及晶界处元素的偏聚有关系。时效处理的样品，晶界处析出相比固溶态的样品可能数量更多，尺寸也会略有变化，总的效应是对晶界的钉扎作用更强。另外，时效处理的试样中，晶界处元素的偏聚更接近准平衡状态，晶界处界面能降低，因此晶界结合强度更高，晶界界面更稳定。

对比Ni-Fe基HT700合金和Inconel740H合金的内耗实验结果，可以看到Ni-Fe基合金比Inconel 740H合金的晶界弛豫激活能小，说明Inconel740H的晶界结合强度比HT700要高。在750℃/10万小时条件下，Inconel740H的持久强度比Ni-Fe基HT700要高，这与Inconel 740H合金相对较高的晶界强度是直接相关的。

上述内耗实验的结果，揭示了Ni-Fe基HT700合金和Inconel 740H合金不同的晶界特性，以及微量元素P对HT700晶界特性的影响，热处理对Inconel 740H晶界特性的影响。这些结果对于优化700℃电站用高温合金的设计，特别是晶界的设计具有重要的应用价值。

表1不同样品的内耗实验结果