论文摘要
针对石化装置用高温合金炉管（如乙烯裂解炉管及制氢转化炉管等）材料HP40易受高温氧化、蠕变失效以及结焦渗碳等问题的影响,通过在该合金中加Al降Ni改性,尝试解决以上问题。研究了加入不同Al含量以及不同冶炼条件下合金的组织、常高温力学性能、抗氧化性能以及热处理对合金组织的影响和新合金的焊接性能等。目标是提高合金在高温下的力学性能、抗蠕变能力、抗氧化能力以及防渗碳结焦能力,实现延长该材质高温合金炉管的清焦周期和使用寿命;减少Ni含量以降低材料成本。以HP40为基础,分别加入5、10、15、20wt.%的Al含量、相应减少5、10、15、20wt.%的Ni含量,将各粉体材料在真空电弧炉中熔炼并在水冷坩埚中凝固后制备成试样,进行微观组织、力学性能和抗氧化性能的研究。结果表明,当Al加入量为5wt.%时,合金中沉淀析出了少量片条状Ni3Al金属间化合物,其余组织与HP40相近;当Al加入量增加到10%时,凝固析出的FeNiAl相显著增加,基体转变为以铁素体组织为主;当Al加入量在15 wt.%以上时,合金中形成大量树枝状的FeNiAl金属间化合物,基体完全转变成为铁素体。碳化物的形态随着Al的加入由以前的网状变成了片条状,并随Al元素的增加而变得更加细小,在基体中的分布更趋离散。随着Al加入量的增加,合金的强度和硬度得到了显著提高。但随着Al含量的提高,由于析出金属间化合物数量的增多以及形态的进一步粗化,脆性也随之增加。1200℃的高温抗氧化性能研究发现,Al加入后在合金表面形成了以氧化铝为主的氧化膜,从而显著增加了合金的高温抗氧化性能。在Al含量为5 wt.%和10 wt.%时,合金的高温抗氧化性能最好。将工业炉料在中频无芯感应炉中冶炼、浇入树脂砂型中制备出HP40和以此合金为基础加Al2.5、5、7.5、10和15 wt.%、降Ni2.5、5、7.5、10和15 wt.%的合金试样,并进行微观组织、室温及高温下的机械性能和抗氧化性的研究。从组织上比较,中频炉组织与真空电弧炉组织总的变化规律基本一致,但在相同成分对应的组织上,由于冷却条件不同,使得组织的组成各相有着显著的差异。加Al量为2.5%时,Al主要固溶于基体中,未析出沉淀强化相。加Al量为5wt.%时,沉淀析出的Ni3Al金属间沉淀相数量相对显著增多,而且呈颗粒状弥散分布。加Al量增加到7.5wt.%以上时,基体开始向铁素体转变,FeNiAl金属间化合物相大量凝固析出,形状从颗粒状转变成树枝状、大块状。加Al量增加到15wt.%时,合金组织最终变成了FeCrNiAl固溶体和碳化物的共晶组织。加Al2.5 wt.%的改性合金在室温、高温下的屈服、抗拉强度没有提高。加Al5wt.%的改性合金在室温、高温下的屈服、抗拉强度得到了显著提高,也具有较好的塑韧性。而含Al7.5、10wt.%的改性合金在室温、高温下的屈服、抗拉强度反而降低了。合金的延伸率也随着Al元素的增加而显著降低。改性合金的氧化动力学曲线符合抛物线规律,斜率随Al含量的增加而降低,抗氧化性在逐步提高。但从形貌上来看,加铝2.5wt.%的合金氧化后表面较HP40合金有所改善,但有明显的烧损,氧化膜不致密。加铝5wt.%的合金氧化后表面生成了较致密的氧化膜,局部地方有坑蚀;而在加Al7.5wt.%和10wt.%的合金表面上,由于Al氧化膜太厚,表面发生了隆起,增加了从基体表面剥落的可能性。对改性合金热处理的初步研究表明,经过固溶+两次时效处理,使加Al5wt.%改性合金的Ni3Al金属间化合物析出相增多,形态由铸态下的弥散颗粒状变成了链条状。对加Al7.5和10wt.%的改性合金,金属间化合物沉淀相的形态较铸态明显改善,从块状转向条状、颗粒状。较高的固溶处理温度对组织形态的改进更有效。通过对HP40和加Al 5wt.%合金焊接接头的组织和力学性能的对比分析,发现加Al5wt.%合金焊接后的力学性能与母材基本相当,焊接后的合金接头和母材一样具有优良的高温力学性能。研究结果表明,加Al5wt.%改性合金具有良好的焊接性。