热处理对 A286 合金力学性能的影响

在现代工业应用中，材料的性能往往决定了产品的性能和可靠性。材料的微观结构和宏 观性能之间的关联性，尤其是热处理工艺对合金性能的调控作用，一直是材料科学领域的研 究热点。A286 合金是在 Fe-25Ni-15Cr 基高温合金的基础上加入钼、钛、铝、钒及微量硼综 合强化而得，因其出色的高温抗蠕变能力、良好的疲劳强度和耐蚀性而被广泛应用于航空 航天领域。

1.实验材料与方法

本文采用热轧态 A286 合金棒材作为研究对象，其成分如表1所示。

对直径为 30mm 的热轧棒材进行固溶处理和时效处理，样品被置于高温炉内，设定温度 为 982℃，达到 982℃后保温一个小时，再快速水冷。时效处理则是将固溶处理冷却的样品 在 720℃的条件下保温 17 个小时后空冷。热轧态及热处理后的试样制成金相试样后，使用 FeCl3 ( 5 g) + HCl ( 35 mL) + H2O( 60 mL) 腐蚀液腐蚀，采用光学显微镜(OM) 和扫描 电镜( SEM) 表征材料的微观组织，采用材料万能试验机测试其强度，拉伸试样棒材样品如图1所示。

2 实验结果与分析

2.1 显微组织

图2是A286 热轧态组织图，根据前期研究，热轧态合金基体为再结晶的均 匀奥氏体晶粒组织，同时存在一次碳氮化物（如图中箭头所示）。

经固溶和时效处理后的显微组织如图 3 所示，可以看出热处理后的晶界变得 更加明显，晶粒有长大迹象，晶粒内有明显的析出物

对晶粒内尺寸较大的析出相进行了元素分布测试，结果如图4所示。从元素面分布图可以看出，析出相主要富集 Ti 和 C 元素，贫 Cr、Ni 和 Fe，推断其 为 TiC 碳化物。

图 5 是经过时效热处理的室温形变试样的 XRD 结果，可以看出：在时效热处理 17 小时之后，XRD 图谱中的峰位置为（111），（200），（220），（311），（222）晶面，峰强度普遍高于未处理前。

目前，镍基高温合金析出相长大粗化规律， 一般遵循 Ostwald 熟化理论，根据该理论，A286 合金在时效过程中其强化相长大规律符合强化相粗化/ 熟化长大规律，即可获得如下关系模型:

D 3=2200.2+1873.5 × t

式子中 D 表示合金中 γ' 强化相直径， t 表示热处理时效时间, 随着时效时 间延长，析出的γ'强化相发生粗化长大。强化相尺寸从最初的 10nm 长大到 30nm。长时间的时效，使得强化相分布更加弥散均匀。

2.2 力学性能结果

对固溶时效热处理后的合金材料进行室温拉伸实验，结果如表 2 所示。可以看出，982℃ 固溶处理后 720℃时效处理 17 小时的 A286 合金的抗拉强度范围在 991 MPa 至 1048 MPa 之 间，平均值为 1027 MPa。这表明经过固溶并时效热处理后的 A286 合金具有较高的抗拉强度。 A286 合金的屈服强度在 718 MPa 至 760 MPa 之间变化，平均值为 746 MPa。A286 合金的断 面收缩率在 39%至 45%之间变化，平均值为 42%。图 6 所示的断口形貌，清晰显示出合金呈 现韧性断裂特征，这与表 2 所示较高的伸长率和断面收缩率结果一致。较高的断面收缩率进 一步证实了改进固溶和时效热处理有效提高了 A286 合金的韧性。对比标准热处理条件下的 拉伸数据，当合金进行 960 ℃ /1 h /WC +730 ℃ /1 h /AC 热处理后，抗拉强度达到 1249MPa,而断后伸长率仅有 18.1%，不满足使用要求。A286 合金在 720℃时效处理 17 小时 后虽然强度有所降低，但是伸长率明显增加，综合性能符合电厂实际需求。由于 γ' 相 的数量、尺寸和分布是合金强化效果的直接影响因素，720 ℃长时间时效有利于 γ'相均匀 的弥散分布在基体上，数量最多、尺寸较为合适，从而增加了材料的综合性能。

图 6 为 A286 合金经 982℃固溶+720℃时效 17h 后空冷至常温时的拉伸断口形貌，从图 中可以看出，断口分布着密集细小的韧窝，表现为韧性断裂。

3 结论

（1）A286 合金采用 982℃固溶处理和 720℃/17h 时效处理有助于改善室温塑性，室温屈 服强度和抗拉强度分别达到 746 MPa 和 1027 MPa，显示出良好的强韧性，使其满足电厂使 用要求。

（2）A286 合金中的主要析出相为 TiC 和 γ' 相。720 ℃下 17 小时时效处理有利于 γ'相 均匀的弥散分布在基体上，数量最多、尺寸较为合适，从而增加了材料的综合性能。