一种恢复热处理工艺对GH4145螺栓组织性能的影响

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下半月出版Material&HeatTreatment材料热处理技术
恢复热处理对GH4145/SQ螺栓组织性能的影响
阎光宗1,柯浩1,徐雪霞1,孔维刚2
(1.河北省电力研究院,河北石家庄050021;2.神华河北国华定洲发电有限责任公司,河北定州07300摘要院对运行后硬度值超标的镍基合金GH4145/SQ螺栓进行恢复热处理袁并对恢复热处理前后的螺栓材料进行显微组织分析尧力学性能检验遥结果显示院硬度值超标的螺栓塑韧性较差袁恢复热处理后螺栓材料组织形貌及综合力学性能指标得到了明显改善遥
关键词院镍基合金曰恢复热处理曰显微组织曰力学性能中图分类号院TG166.7
文献标识码院A
文章编号院
EffectofRecoveryHeatTreatmentonMicrostructureandMechanical
PropertiesofGH4145/SQBoltMaterial
YANGuangzong1,KEHao1,XUXuexia1,KONGWeigang2
(1.HebeiElectricPowerResearchInstitute,Shijiazhuang050021,China;2.ShenhuaHebeiGuohuaDingzhouPowerGenerationCo.,Ltd.,Dingzhou073000,China
Abstract院Arecoveryheattreatmentwasusedonthenickle-basedalloyGH4145/SQboltwhosehardnessvaluewashigherthanthedemandofthestandardafterservice.Themicrostructureandmechanicalpropertiesoftheboltmaterialbeforeandaftertherecoveryheattreatmentwerestudied.Theresultsshowthattheplasticandtoughnessoftheboltwhosehardnessvaluewashigherthanthedemandofthestandardislower,andthemicrostructureandmechanicalpropertiesoftheboltmatrialareimprovedobviouslythroughtherecoveryheattreatment.
Keywords院nickle-basedalloy;recoveryheattreatment;microstructure;mechanicalproperties
随着新建超临界(超超临界机组的数量不断增加袁汽轮机大量使用了具有较好高温综合性能的镍基螺栓遥镍基合金是高温合金中应用最广尧高温强度最高的一类合金袁此种材质具有很高的蠕变和持久性能尧较强的抗应力松弛和抗氧化性能力遥高温合金GH4145/SQ即是20世纪80年代中期开发的以酌'[Ni3(Al袁Ti袁Nb]为主要强化相的镍基时效硬化型合金[1]袁主要用于300MW或600MW汽轮机高中压内缸法兰螺栓遥此种材质螺栓经过高温运行后袁会发生显微组织及位错组态变化袁强化相析出等袁导致材料的蠕变和持久性能下降袁在宏观上表现为硬度指标升高袁超出标准规定的硬度范围必须提前退役袁否则将对机组安全运行造成威胁袁由于此种螺栓价格昂贵袁造成很大的经济损失遥目前尚未见对运行后硬度值超标的GH4145/SQ材质螺栓进行恢复热处理的研究袁本文研究了一种恢复热处理工艺对运行后硬度值超标的GH4145/SQ螺栓进行处理后其组织和性能的影响遥
收稿日期:2011-10-21
作者简介:阎光宗(1980-,男,河北石家庄人,工程师,硕士,主要从事金
属材料理化检验尧失效分析尧电厂金属材料寿命评估研究工作;电话:0311-85182359;E-mail:hbdyyygz@163.com
本文以某电厂600MW亚临界机组材质为GH4145/SQ的中压主汽门螺栓作为研究对象袁该批螺栓在机组检修中经布氏硬度试验袁发现其中有31根(共68根布氏硬度值大于DL/T439-2006要求的上限(331HBW遥取运行后硬度值为333HBW的螺栓对其进行恢复热处理袁热处理工艺为固溶+两次时效袁固溶工艺为1130℃袁保温1h袁油冷曰首次时效温度为845℃尧时效时间24h袁第二次时效温度707℃尧时效时间20h袁空冷遥
1化学成分分析
采用定量直读光谱仪对硬度值超标的GH4145/SQ螺栓材料进行了化学成分分析袁结果如表1所示遥可看出袁其化学成分符合标准DL/T439-2006对GH4145的要求遥
2显微组织观察
对恢复热处理前后的GH4145/SQ螺栓材料采
用光学金相显微镜及扫描电镜进行显微组织观察袁其组织均为孪晶奥氏体袁晶界上分布有碳化物颗粒袁分别如图1尧2所示遥
1
叶热加工工艺曳20年第卷第期
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材料热处理技术Material&HeatTreatment
表1GH4145/SQ螺栓的化学成分(质量分数袁%
Tab.1ChemicalcompositionoftheGH4145/SQbolt(wt,%
C
分析值
0.04
Si0.05
Mn0.02
S0.006
P0.005
Ni72.36
Cr16.22
Fe6.90
Co0.02
Ti2.41
20年月
Al0.68
Cu0.01
B0.005
标准DL/T439-2006要求值臆0.08臆0.35臆0.35臆0.010臆0.015逸70(a
(b
(a
14.0~17.05.0~9.0臆1.002.25~2.750.40~1.00臆0.50臆0.01
(b
200滋m10滋m200滋m10滋m
图1热处理前显微组织
Fig.1Microstructureofthematerialbeforeheattreatment图2热处理后显微组织
Fig.2Microstructureofthematerialafterheattreatment
GH4145/SQ属于疲劳循环硬化型合金袁随固溶温度的升高或者运行中的高温影响袁其合金晶粒呈长大趋势袁过大的晶粒会明显降低合金的塑韧性遥随疲劳循环周次的增加袁应力呈上升趋势遥在同等应变水平下袁晶粒粗大袁低周疲劳寿命短袁即其抗疲劳性能差遥由微观组织照片可以看出袁虽然热处理前后金相组织均为孪晶奥氏体袁但热处理后的试样其晶粒度明显较热处理前细化遥热处理前硬度值偏高的试样晶粒相对较大袁不仅减小了晶界面积袁更加剧了碳化物在晶界的聚集袁使得晶界脆化倾向加剧袁因此其塑韧性指标值较低遥而经过热处理后的螺栓其塑韧性指标的明显改善部分即得益于其晶粒在恢复热处理后得到了细化遥高温合金塑性同时受晶界碳化物影响[2]遥热处理前螺栓晶界为连续的网状碳化物M23C6和M6C袁这种分布容易引起应力集中袁可能造成晶界的早期断裂遥热处理后的螺栓材料晶界碳化物连续性减少了袁从而提高了合金的塑性和长期使用的组织稳定性遥
伸试验尧冲击试验尧布氏硬度试验袁结果见表2遥
表2GH4145/SQ螺栓热处理前后力学性能Tab.2MechanicalperformanceoftheGH4145/SQ
boltbeforeandaftertheheattreatment
Rp0.2/MPaRm/MPaA(%Z(%AKU/J布氏硬度(HBW
热处理前热处理后标准DL/T439-2006要求值
860625逸550
13201150
15.521.022.026.0
3864-
333283262~331
逸1000逸12逸18
使用HV-1000型显微硬度计对恢复热处理前后的螺栓试样进行显微硬度检验袁每个试样分别随机取5个视场的奥氏体基体进行检验袁结果见表3遥
表3GH4145/SQ螺栓热处理前后显微硬度(HV
Tab.3Themicro-hardnesstheGH4145/SQboltbeforeand
aftertheheattreatment(HV
HV热处理前热处理后
视场1353295
视场2358295
视场3334279
视场4348297
视场5355308
平均值350295
采用扫描电镜对热处理前后冲击试样断口进行微观形貌观察袁结果如图3所示遥可见热处理前硬度值超标螺栓的冲击断口为典型的沿晶断裂袁可见沿晶二次裂纹袁脆性断口特征明显曰热处理后螺栓冲击
(a起裂区
(b扩展区
3恢复热处理对力学性能的影响
对恢复热处理前后的螺栓材料分别进行常温拉
(b扩展区
(a起裂区
250滋m100滋m250滋m100滋m
图3热处理前GH4145/SQ螺栓冲击断口的SEM形貌Fig.3SEMmorphologyoftheGH4145/SQimpactfracture
beforeheattreatment图4热处理后GH4145/SQ螺栓冲击断口的SEM形貌Fig.4SEMmorphologyoftheGH4145/SQimpactfractureafter
heattreatment
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HotWorkingTechnology20,Vol.,No.
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断口中存在大量韧窝及撕裂棱袁相对热处理前韧性特征明显遥
由以上试验结果可看出袁硬度值超标的GH4145/SQ螺栓各项常温力学性能指标虽然合格袁但其塑性指标(断后伸长率尧断面收缩率仅略高于标准要求下限值遥标准对韧性指标(冲击吸收功虽无具体要求袁但试验结果显示其冲击吸收功较低袁螺栓韧性较差遥可见袁经高温运行后硬度值升高的GH4145/SQ螺栓材料其强度值升高袁但其塑性及韧性指标均明显变差遥
恢复热处理后螺栓材料硬度值降至标准要求范围内袁抗拉强度下降13%袁屈服强度下降27%袁强度值仍高于标准要求下限值曰断后伸长率及断面收缩率此两项塑性指标分别增长42%尧24%曰韧性指标(冲击吸收功增长68%遥可见恢复热处理后螺栓材料强度值有一定程度下降袁塑韧性指标相对热处理前有大幅提升遥
Material&HeatTreatment材料热处理技术
及疲劳袁因此高温螺栓必须具备高的蠕变强度尧延展／SQ性尧韧性及抗疲劳性能遥对超临界机组GH4145
螺栓用钢袁应重点考虑塑韧性袁硬度值偏高的螺栓塑韧性明显下降袁抗疲劳性能差袁容易发生脆断及低周疲劳断裂遥
硬度偏高的原因主要有以下几方面院(1在螺栓制做时袁螺栓坯料在冶炼锻造及后续热处理工艺控／SQ镍基合金在螺栓机加工时制不当曰(2GH4145
有硬化现象曰(3螺栓安装时预紧力过大及在高温运行中螺栓蠕变变形引起材料硬化[3]遥针对运行后镍基合金螺栓硬度值超标的情况袁利用本文采用的热处理工艺对硬度值超标螺栓进行恢复热处理后袁其硬度值降至标准要求范围内袁强度值有一定程度的下降袁随之而来的是塑性及韧性的显著提升袁证明此种恢复热处理工艺的有效性遥参考文献:
[1][2]
冶军．美国镍基高温合金[M]．北京院科学出版社袁1978．朱日彰袁卢亚轩．耐热钢和高温合金[M]．北京院化学工业出版社袁1995．[3]
杨建菊袁王庆袁王志永袁等．某电厂GH4145/SQ螺栓钢材质分析[J]．热力发电袁2007袁(5院83-86．
4分析及结语
火力发电厂汽轮机螺栓袁特别是调速汽门尧主汽
门螺栓袁在机组长期运行中承受蠕变尧疲劳及其交互作用的影响袁高温螺栓常见失效包括蠕变尧脆性断裂
叶热加工工艺曳20年第卷第期3
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