用內(nèi)耗表征和分析鎳基\鎳鐵基高溫合金晶界特性的方法
【專利摘要】本發(fā)明一種用內(nèi)耗表征和分析鎳基\鎳鐵基高溫合金晶界特性的方法，包括1)將不同的合金試樣采用不同的固溶或時效熱處理后冷至室溫；2)從熱處理后的試樣上加工內(nèi)耗實驗用試樣；3)在室溫至1000℃內(nèi)，將實驗用試樣再次加熱，升溫速率為1～5℃/分鐘，應(yīng)變振幅為0.5～2.0×10?5，測量試樣0.5～10.0Hz的振動頻率范圍內(nèi)的內(nèi)耗值；4)利用數(shù)據(jù)分析軟件，獲得測量的溫度范圍內(nèi)，不同頻率下實驗用試樣的內(nèi)耗曲線；5)利用內(nèi)耗曲線獲得不同測量頻率下晶界內(nèi)耗峰的高度和對應(yīng)的絕對溫度；6)根據(jù)實驗用試樣再次加熱的參數(shù)，不同測量頻率下晶界內(nèi)耗峰的高度和對應(yīng)的絕對溫度，得到晶界內(nèi)耗峰對應(yīng)溫度偏移和晶界弛豫激活能。
【專利說明】
用內(nèi)耗表征和分析鎳基\鎳鐵基高溫合金晶界特性的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及高溫合金材料晶界特性的測試和分析，具體為用內(nèi)耗表征和分析鎳 基\銀鐵基尚溫合金晶界特性的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在燃煤發(fā)電領(lǐng)域，國內(nèi)外目前都在研發(fā)下一代高效清潔的700Γ超超臨界發(fā)電技 術(shù)，實現(xiàn)這一技術(shù)的關(guān)鍵是研發(fā)出滿足700°C電站服役要求的鎳基和鎳鐵基高溫合金，從而 制備出鍋爐和汽輪機的高溫部件。700 °C電站用的高溫合金是多晶材料，材料中存在大量的 晶界，晶界的特性直接影響材料的服役性能，如拉伸性能、持久強度、沖擊韌性、抗氧化和抗 腐蝕性能。因此，準確地揭示合金的晶界特性，對于此類高溫合金的研發(fā)，特別是晶界的設(shè) 計具有重要的應(yīng)用價值。
[0003] 固體在機械振動中由于內(nèi)部固有的結(jié)構(gòu)原因引起的振動能量損耗，稱為內(nèi)耗，它 在工程上是材料阻尼性能的一種指標。通常測量內(nèi)耗的應(yīng)力幅是在彈性范圍內(nèi)，不產(chǎn)生塑 性變形，由于材料的滯彈性，應(yīng)變要經(jīng)過一個弛豫過程才能達到與應(yīng)力相對應(yīng)的平衡值。在 應(yīng)力撤除后，應(yīng)變經(jīng)過弛豫又逐漸回復(fù)到零。
[0004] 高溫合金研發(fā)常用的表征晶界結(jié)構(gòu)的方法主要是通過不同的顯微方法來獲取晶 界結(jié)構(gòu)的圖像信息，如光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、三維原子探針（3D atom probe)等。這些方法的缺點是只能反映材料局部區(qū)域的晶界部分結(jié)構(gòu)特征，不能完整 地展示材料晶界的本征特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種能夠全面反應(yīng)晶界本征特性，測試 簡單方便的，用內(nèi)耗表征和分析鎳基\鎳鐵基高溫合金晶界特性的方法。
[0006] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：
[0007] -種用內(nèi)耗表征和分析鎳基\鎳鐵基高溫合金晶界特性的方法，包括以下步驟：
[0008] 1)將不同的合金試樣采用不同的固溶或時效熱處理后空冷或者水淬至室溫；
[0009] 2)從熱處理后的試樣上切割加工內(nèi)耗實驗用試樣；
[0010] 3)在室溫至1000°C范圍內(nèi)，將實驗用試樣再次加熱，升溫速率為1~5°C/分鐘，應(yīng) 變振幅為〇. 5~2.0 X 10-5，測量試樣0.5~10.0Hz的振動頻率范圍內(nèi)的內(nèi)耗值；
[0011] 4)利用數(shù)據(jù)分析軟件，扣除內(nèi)耗的背底，獲得測量的溫度范圍內(nèi)，不同頻率下實驗 用試樣的內(nèi)耗曲線；
[0012] 5)利用數(shù)據(jù)處理后得到的內(nèi)耗曲線獲得不同測量頻率下晶界內(nèi)耗峰的高度和對 應(yīng)的絕對溫度；
[0013] 6)根據(jù)實驗用試樣再次加熱的參數(shù)，以及不同測量頻率下晶界內(nèi)耗峰的高度和對 應(yīng)的絕對溫度，得到晶界內(nèi)耗峰對應(yīng)的溫度偏移和晶界弛豫激活能，用于表征和判斷晶界 結(jié)合強度的高低。
[0014]優(yōu)選的，步驟1)中，將合金試樣放入熱處理爐中進行對應(yīng)的熱處理。
[0015] 優(yōu)選的，步驟2)中，內(nèi)耗實驗用試樣的長寬高尺寸為60~90mmX 1 · 5~2 · 5mmX0 · 7 ~1·0mm〇
[0016] 優(yōu)選的，步驟6)中，相同測量頻率下，不同的熱處理狀態(tài)、微量元素含量和合金成 分中一種或幾種因素影響下的晶界內(nèi)耗峰對應(yīng)的溫度偏移，來判斷晶界結(jié)合的強度高低， 當向高溫偏移時，則表明晶界結(jié)合強度高。
[0017] 優(yōu)選的，步驟6)中，通過如下公式得到晶界特性參數(shù)晶界弛豫激活能，判斷晶界結(jié) 合的強度高低，晶界弛豫激活能大，則晶界結(jié)合強度高；
[0018] 2irf T〇exp(E/kTP) = 1
[0019]上式中，f為測量頻率，το為指數(shù)前因子，E為晶界弛豫激活能，k為玻爾茲曼常數(shù)，TP 為晶界內(nèi)耗峰峰溫。
[0020] 進一步，對所述的公式利用Inf對(_1/ΤΡ)進行線性回歸，得到斜率和截距，進而得 到晶界特性參數(shù)晶界弛豫激活能Ε和指數(shù)前因子το。
[0021] 優(yōu)選的，步驟3)中，所述的實驗過程采用低頻扭擺式內(nèi)耗儀進行。
[0022] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：
[0023]本發(fā)明運用內(nèi)耗的方法來表征和分析700°C電站用鎳基和鎳鐵基高溫合金的晶界 特性，試樣制備過程簡單可以在低頻扭擺式內(nèi)耗儀上完成。內(nèi)耗測試溫度必須覆蓋合金的 服役溫度區(qū)間；應(yīng)力振幅不能太大，要保證試樣不產(chǎn)生塑性變形;測量頻率不能太高，要保 證在測試溫度范圍內(nèi)可以觀察到晶界內(nèi)耗峰;升溫速率要保證試樣溫度均勻，在每個溫度 下試樣有足夠的時間通過晶界弛豫達到與外加應(yīng)力相匹配的平衡狀態(tài)。通過上述內(nèi)耗試驗 參數(shù)的選擇，能夠保證實驗的客觀性和實用性。晶界內(nèi)耗就是由晶界引起的內(nèi)耗，由于晶界 內(nèi)耗峰能夠靈敏地反映晶界的狀態(tài);本發(fā)明實驗結(jié)果是試樣中全部晶界對外加應(yīng)力的一種 響應(yīng)，能夠反映材料中晶界的本征特性，采用其它的實驗方法，不能給出這些有用的結(jié)果。 采用本發(fā)明的方法，選擇特定的升溫速率、應(yīng)變振幅、溫度和頻率范圍，采用內(nèi)耗的方法來 表征和分析，可以深入分析熱處理狀態(tài)、微量元素含量、合金成分等對700°C電站用鎳基和 鎳鐵基高溫合金晶界特性的影響；晶界特性和合金持久性能、沖擊性能和拉伸性能密切相 關(guān)，對于研發(fā)新型700°C電站用鎳基和鎳鐵基高溫合金具有重要的應(yīng)用價值。
【附圖說明】
[0024]圖1未添加P的Ni-Fe基HT700合金內(nèi)耗曲線。
[0025]圖2加P的Ni-Fe基HT700合金內(nèi)耗曲線。
[0026] 圖3固溶態(tài)的Inconel 740H內(nèi)耗曲線。
[0027] 圖4時效態(tài)的Inconel 740H內(nèi)耗曲線。
【具體實施方式】
[0028] 下面結(jié)合具體的實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明，所述是對本發(fā)明的解釋而 不是限定。
[0029] 本發(fā)明中對實驗用試樣的熱處理狀態(tài)、微量元素含量和合金成分會影響晶界處析 出相的形態(tài)、數(shù)量、尺寸和分布，以及晶界處元素的偏聚，進而影響合金的晶界結(jié)合強度，這 種影響能夠通過晶界內(nèi)耗峰的峰溫偏移和晶界弛豫激活能反映出來。相同測量頻率下，晶 界內(nèi)耗峰對應(yīng)的溫度向高溫偏移，則表明晶界結(jié)合強度高。另外，晶界弛豫激活能大，也反 映晶界結(jié)合強度增加。以下以具體的實施例進行說明。
[0030] 選取了添加磷（P)和不添加P的Ni-Fe基HT700合金，以及不同熱處理狀態(tài)的 Incone 1 740H合金，進行了內(nèi)耗實驗，測試和分析其晶界特性。
[0031] 加P和不加P的Ni-Fe基HT700合金，熱處理制度相同，具體為：1100 °C保溫lh，空冷 至室溫，然后在800 C保溫16h，空冷至室溫。
[0032] 固溶態(tài)的Inconel 740H熱處理制度為：1150°C保溫lh，水淬至室溫；
[0033] 時效態(tài)的Inconel 740H熱處理制度為：1150°C保溫lh，水淬至室溫，然后在800°C 保溫16h，空冷至室溫。
[0034]內(nèi)耗測試條件:試樣尺寸為70mmX2mmX 1.0mm，測試溫度范圍為室溫至850°C，升 溫速率為2 °C /分鐘，應(yīng)變振幅為1 X 10-5，測試頻率為0.5Hz、1.0Hz、2.0Hz和4.0Hz。
[0035]不同合金試樣的內(nèi)耗曲線如圖1~4所示，對內(nèi)耗曲線的結(jié)果，進一步分析后，得到 的結(jié)果見表1。
[0036] 對比添加P和不添加P的Ni-Fe基HT700合金(表1、圖1和圖2)，添加P的試樣在四個 測試頻率下出現(xiàn)晶界內(nèi)耗峰的溫度稍微偏高，晶界弛豫激活能略微增加。這表明加P的樣品 在更高的溫度下才能達到與測試頻率相匹配的晶界弛豫時間。說明P對合金的晶界滯彈性 有影響。適量的P會增加晶界的結(jié)合強度，影響材料的持久性能。
[0037] 對于Inc〇nel740H合金(表1、圖3和圖4)，時效態(tài)的試樣出現(xiàn)晶界內(nèi)耗峰的溫度比 同頻率下固溶態(tài)的樣品要高。時效態(tài)和固溶態(tài)的晶界弛豫激活能分別為3.53eV和3.01 eV， 時效態(tài)樣品的晶界弛豫激活能比固溶態(tài)的要高。這可能與晶界處碳化物及晶界處元素的偏 聚有關(guān)系。時效處理的樣品，晶界處析出相比固溶態(tài)的樣品可能數(shù)量更多，尺寸也會略有變 化，總的效應(yīng)是對晶界的釘扎作用更強。另外，時效處理的試樣中，晶界處元素的偏聚更接 近準平衡狀態(tài)，晶界處界面能降低，因此晶界結(jié)合強度更高，晶界界面更穩(wěn)定。
[0038] 對比Ni-Fe基HT700合金和Inconel740H合金的內(nèi)耗實驗結(jié)果，可以看到Ni-Fe基合 金比Inconel 740H合金的晶界弛豫激活能小，說明Inc〇nel740H的晶界結(jié)合強度比HT700要 高。在750°C/10萬小時條件下，Inconel740H的持久強度比Ni-Fe基HT700要高，這與Inconel 740H合金相對較高的晶界強度是直接相關(guān)的。
[0039] 上述內(nèi)耗實驗的結(jié)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對HT700晶界特性的影響，熱處理對Inconel 740H晶界特性的影響。這 些結(jié)果對于優(yōu)化700°C電站用高溫合金的設(shè)計，特別是晶界的設(shè)計具有重要的應(yīng)用價值。 [0040]表1不同樣品的內(nèi)耗實驗結(jié)果
【主權(quán)項】
1. 一種用內(nèi)耗表征和分析鎳基\鎳鐵基高溫合金晶界特性的方法，其特征在于，包括以 下步驟： 1) 將不同的合金試樣采用不同的固溶或時效熱處理后空冷或者水淬至室溫； 2) 從熱處理后的試樣上切割加工內(nèi)耗實驗用試樣； 3) 在室溫至1000°C范圍內(nèi)，將實驗用試樣再次加熱，升溫速率為1~5°C/分鐘，應(yīng)變振 幅為〇. 5~2.0 X 10-5，測量試樣0.5~10.0 Hz的振動頻率范圍內(nèi)的內(nèi)耗值； 4) 利用數(shù)據(jù)分析軟件，扣除內(nèi)耗的背底，獲得測量的溫度范圍內(nèi)，不同頻率下實驗用試 樣的內(nèi)耗曲線； 5) 利用數(shù)據(jù)處理后得到的內(nèi)耗曲線獲得不同測量頻率下晶界內(nèi)耗峰的高度和對應(yīng)的 絕對溫度； 6) 根據(jù)實驗用試樣再次加熱的參數(shù)，以及不同測量頻率下晶界內(nèi)耗峰的高度和對應(yīng)的 絕對溫度，得到晶界內(nèi)耗峰對應(yīng)的溫度偏移和晶界弛豫激活能，用于表征和判斷晶界結(jié)合 強度的高低。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用內(nèi)耗表征和分析鎳基\鎳鐵基高溫合金晶界特性的方法，其 特征在于:步驟1)中，將合金試樣放入熱處理爐中進行對應(yīng)的熱處理。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用內(nèi)耗表征和分析鎳基\鎳鐵基高溫合金晶界特性的方法，其 特征在于：步驟2)中，內(nèi)耗實驗用試樣的長寬高尺寸為60~90mm X1.5~2.5mm X0.7~ 1.0mm〇4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用內(nèi)耗表征和分析鎳基\鎳鐵基高溫合金晶界特性的方法，其 特征在于:步驟6)中，相同測量頻率下，不同的熱處理狀態(tài)、微量元素含量和合金成分中一 種或幾種因素影響下的晶界內(nèi)耗峰對應(yīng)的溫度偏移，來判斷晶界結(jié)合的強度高低，當向高 溫偏移時，則表明晶界結(jié)合強度高。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用內(nèi)耗表征和分析鎳基\鎳鐵基高溫合金晶界特性的方法，其 特征在于:步驟6)中，通過如下公式得到晶界特性參數(shù)晶界弛豫激活能，判斷晶界結(jié)合的強 度高低，晶界弛豫激活能大，則晶界結(jié)合強度高； 2irf T〇exp(E/kTP) = 1 ； 上式中，f為測量頻率，το為指數(shù)前因子，E為晶界弛豫激活能，k為玻爾茲曼常數(shù)，TP為晶 界內(nèi)耗峰峰溫。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的用內(nèi)耗表征和分析鎳基\鎳鐵基高溫合金晶界特性的方法，其 特征在于:對所述的公式利用Inf對(_1/Τ Ρ)進行線性回歸，得到斜率和截距，進而得到晶界 特性參數(shù)晶界弛豫激活能Ε和指數(shù)前因子το。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用內(nèi)耗表征和分析鎳基\鎳鐵基高溫合金晶界特性的方法，其 特征在于:步驟3)中，所述的實驗過程采用低頻扭擺式內(nèi)耗儀進行。
【文檔編號】G01N1/28GK105866167SQ201610173922
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月24日
【發(fā)明人】袁勇, 尹宏飛, 黨瑩櫻, 趙新寶, 楊珍, 魯金濤, 周永莉, 嚴靖博, 谷月峰
【申請人】中國華能集團公司, 西安熱工研究院有限公司