长期热时效过程中硼对镍-铁基高温合金焊缝金属持久性能的影响研究

Optimizing stress rupture properties at high temperature is a key issue for the newly developed nickel-ferric-based superalloy and its weldment for fire power plants. Alloying of trace element boron has a significant effect on improving high-temperature stress rupture properties in the superalloy applied for fire power plants. However, it is found that the strengthening effect of boron obviously degenerated in the weld metal of nickel-ferric-based superalloy after long-term exposure at 700 ℃, the mechanism of which is still lack of systematic research. The preliminary study prompted that the degeneration is probably related to the transformation of the existing states of boron. In this project, the weld metal of nickel-ferric-based superalloy for fire power plants will be considered as studied materials, and further studies will be performed to investigating the stress rupture properties with expanding the boron contents to 0.012 wt.%. Analysis of microstructure and element distribution by methods such as transmission electron microscope and three-dimensional atom probe will be conducted to study the influence of boron contents and aging parameters on the microstructure and the existing states of boron (interfacial segregation, the second phase formation and so on). The basic principle that boron affects the microstructure and existing states of boron after long-term thermal aging, which in turn affects the stress rupture properties will be clarified. This study will provide a scientific basis for the alloy design of welding consumables of nickel-ferric superalloy applied for long-term and high-temperature service.

提高高温持久性能是新一代火电用镍-铁基高温合金及其焊接接头面临的关键问题。研究表明，微量元素硼可提高火电用高温合金的持久性能，但申请人发现含硼的镍-铁基高温合金焊缝金属经700℃长期时效后，硼的强化效果明显退化，而造成这种退化的背后机制还缺乏系统性研究。申请人前期初步研究结果显示，该退化现象可能与硼存在形式的转变有关。本项目拟深入研究这一现象，主要研究内容包括：以火电用镍-铁基高温合金焊缝金属为对象，在前期工作基础上适当扩大硼含量范围（至0.012 wt.%），研究其在长期高温热时效下的持久性能，同时利用透射电镜、三维原子探针等技术观察微观组织和元素分布的变化，来研究硼含量和时效参数对微观组织和硼的存在形式（偏析、形成第二相等）的影响规律，从而阐明硼受长期热时效作用后影响持久性能的基本原理，为新型火电用镍-铁基高温合金焊材的合金设计提供科学依据。

当前各国计划将火电蒸汽温度将提升至700-760℃以提高发电效率，这对锅炉管材部件特别是焊接接头的安全性提出了前所未有的挑战，传统铁素体和奥氏体耐热钢已无法满足要求，亟需开发高温持久性能更优异的火电用Ni基高温合金。镍-铁（Ni-Fe）基高温合金是我国正在研发的一种新型火电用高性能低成本合金，其高温持久性能和国际同类材料相当，是新一代超超临界机组的备选材料之一。然而针对这种材料的火电用焊材的研制却相对滞后，特别是焊缝金属的高温持久强度仍是制约该材料应用的关键问题之一。硼（B）是影响高温合金持久性能的重要微合金化元素，高温合金中通过填加B来提高高温持久性能，然而B在熔敷金属中的影响机制研究却相对缺乏，造成含B高温合金焊材往往缺乏设计依据。.本文系统研究了B元素对镍铁基熔敷金属微观组织及持久性能的影响，结果表明在焊态或750℃/8h时效强化处理后，B主要偏析于晶界上，一部分B以原子状态降低晶界自由能，促进M23C6形核，另一部分B则参与晶界M23(C, B)6形成，提高M23C6的晶界覆盖率；750℃长期时效后，B分布状态与初始态相似，主要偏析在晶界，部分以原子形式存在，另一部分B依然固溶于晶界M23C6中，且M23C6中的B含量始终稳定在1.2 at.%左右；另一方面，讨论了不同B含量对熔敷金属在750℃下的蠕变行为的影响，结果表明添加B后蠕变寿命增加、蠕变速率减小、蠕变二三阶段均显著延长。B促进晶界上离散M23C6的形成，阻碍晶界滑移，并抑制晶界裂纹扩展，从而提升蠕变性能。此外，B还可以偏析在晶界，降低晶界能，提升晶界结合力，从而改善蠕变性能。Larson-Miller参数与应力呈较好的线性关系。750℃蠕变后B原子分布状态与无应力条件下基本一致，表明应力作用下，B的存在形式依旧比较稳定。.本研究阐明了长期热-力作用下的Ni-Fe基熔敷金属中B的存在形式，研究结果可进一步完善含硼Ni-Fe基高温合金熔敷金属组织性能稳定性的理论体系，为新一代火电用Ni-Fe高温合金焊材的合金设计和选材提供科学依据。