镍基高温合金哈氏合金系列材料生产供应商厂家-祯赋（上海）实业Monel404蒙乃尔404合金简介：

化学成分 ：

物理性能：

特性：
蒙乃尔400合金是一种单相固溶体Ni-Cu合金，它在很多介质环境下有良好的耐蚀性能。从轻微的氧化性介质环境到中性环境，到适宜的还原性环境，都有良好的耐蚀性能。
应用：
专业电气和电子应用程序。

高温合金的广泛应用带动了镍基合金材料新生产工艺的发展。当前，比较先进镍基合金型材制备技术有喷射成型、激光熔覆成型、电子束固态自由成型、电子束快速成型以及电子束熔炼等[1，2]。

其中，电子束熔炼作为新型的镍基合金加工工艺被广泛应用于金属钛、超洁净钢、高纯度特殊钢、难熔金属精炼，以及多晶硅提纯等方面。该技术借助高能密集电子束对金属材料表面进行轰击，使材料熔化来达到精炼的目的[3]。

由于电子束熔炼工艺具有高能量、高真空度以及高密度等优势，经过处理的金属材料能有效去除磷、硫等杂质以及冶金缺陷[3]。

同时，为了提高合金纯净度，避免熔体合金与坩埚材料发生反应，电子束熔炼过程采用水冷铜坩埚进行熔炼。Inconel600镍基合金是一种固溶强化合金，在热处理炉、反应堆部件生产中应用广泛。

由于该合金工作条件常为高温、高腐蚀环境，因此要求材料具有优秀的抗硫化性能、抗氧化性能以及自由的耐久强度。当前，对该材料生产的部件（过热器、再热器管）要求为：在700℃环境下运行20万h截面腐蚀低于2mm，10万h蠕变强度高于120MPa[4]。

文献[5]指出，Inconel600镍基合金溶质原子密和析出物对该材料力学性能的表现至关重要。由于高温合金力学性能受γ′析出物影响较大，当前的热处理工艺大多是控制析出物的分布、形状以及体积分数等。同时，文献[6]也发现了M23C6碳化物、六方结构η相、富含Si的G相存在于电子束熔炼Inconel600镍基合金中，经过1200℃×60min固溶、时效处理后依然存在。研究表明[7]，镍基高温合金晶界处如果富集G相，会导致材料的韧性、硬度、塑性以及抗拉强度降低。所以，固溶处理对镍基高温合金的力学性能表现非常重要。当前研究，固溶处理对电子束熔炼Inconel600镍基合金组织及硬度研究较少。

因此，本文DOI：10.16410/j.issn1000-8365.2018.08.051铸造技术FOUNDRYTECHNOLOGYVol.39No.08··1824Aug.2018图1VPM系列电子束熔炼设备示意图Fig.1Electron-beammeltingsystemofVPMandelectron-beammeltingsystem图2低温固溶后的试样SEM形貌Fig.2SEMimagesofsamplesatlowtemperaturesolidsolution表1熔炼后化学成分w（%）余量利用电子束熔炼设备制备了Inconel600镍基合金，并分析固溶处理参数对该材料硬度的影响。

1实验方法实验使用的VPM系列电子束熔炼设备由沈阳真空技术研究所提供，结构如图1所示。熔炼材料由沈阳某金属产品企业提供（括号内为纯度）：Ni(99.99%)、Cr(99.94%)、Fe(99.7%)、C(99.99%)、Mn(99.6%)、Si(99.97%)、Co(98.97%)、Al(99.98%)、Ti(99.99%)、B(95%)和Nb(99.87%)。熔炼设备枪体真空度和炉体真空度分别为3.6×10-3Pa和4.1×10-3Pa。电子束流为500mA，电子枪电压为25kV。为了增加合金组织的均匀性，本实验采用两次翻转熔炼模式，熔炼后的成分如表1所示

熔炼后的Inconel600镍基合金进行1210℃×20h均匀退火，热锻处理温度为1150℃。随后进行1100~1250℃、20~120min的高温固溶处理（固溶强化）。为了观察析出相，部分固溶处理后的样品再进行750℃×15h的时效处理。所有试样空冷至室温后，利用透射电镜（自带Image粒子统计程序）观察试样析出相形貌；利用扫描电子显微镜观察试样晶界及晶内析出，电化学腐蚀液（电化学腐蚀便于得到更加清晰地析出物形貌）为：CrO3(30g)+H2SO4(20mL)+H3PO4(300mL)，腐蚀电压为5V、腐蚀时间为15s；利用X射线衍射仪和能谱仪分析试样物相组成及微区成分；利用硬度仪测试显微硬度，加载时间为20s、压头载荷为120g，随机抽取8次硬度值读数取平均值作为试样显微硬度。

2实验结果及讨论2.1固溶温度及时间的影响文献[8]指出，Inconel600镍基合金的标准固溶处理参数为：1100℃×20min。图2所示为1100、1150和1200℃、20min固溶处理后的试样SEM形貌。由此看出，1100℃固溶处理后的试样晶界分布着大量的G相，晶内发现少量M23C6。文献[9]结果表明，该G相为富Si相，且随着Si含量的升高，晶粒内部可能会析出G相。文献[10]指出，Inconel600镍基合金经过时效处理后晶界会有组成为(Ni,Co)14(Nb,Ti)8Si9的G相析出，经过700℃、10万h的热服以后，G相逐渐占据晶界。G相是伴随着M23C6碳化物的形成而产生的，同时会消耗基体中的Ti、Si、Cr、Ni元素以及MC碳化物。

图2为固溶后的试样SEM形貌。可以看出，G相随着固溶温度的升高而逐渐溶入到基体中，对Ti元素的均匀分布起到了促进作用，同时也有利于时效后γ′二次相的析出。（本文只研究G相、γ′二次相、一次MC碳化物对元素分布、相关因素以及硬度的影响，对其成因或分布原理不做讨论）

图3为1250℃不同时间固溶后的试样显微形貌。可以看出，固溶60min后，大量的一次MC碳化物弥散分布在晶粒内部，经过EDS分析可知C含量与Nb含量均高于基体。由于枝晶偏析现象的存在，在凝固过程中枝晶间和枝晶内Nb元素的分布具有

很大差异，高浓度Nb元素存在对NbC的形成起到了很大的促进作用[10]。固溶和热锻均不能完全消除MC碳化物，所以MC碳化物弥散分布与基体中。γ′相未在基体中完全固溶，该结果与文献[8]研究类似。MC碳化物尺寸随着固溶时间的延长而减小，且仍旧在基体中弥散分布。经过长时间高温固溶后，基体中未发现二次相晶核。

图4为1250℃×120min固溶处理+750℃×15h时效处理的SEM形貌。可以看出，Cr23C6不连续分布于晶界处，且基体中均匀分布着细小的二次相。文献[11]指出，呈颗粒状的不连续碳化物析出对高温合金材料的强度起到了促进作用，尤其是在材料弯曲变形过程中，不连续碳化物阻碍了位错的运动，能够显著提高合金硬度。

15h时效处理后试样的TEM形貌。可以看出，两种固溶温度下，基体中分布着球形二次相，虽然尺寸具有一定的差异，但二次相平均尺寸均为36nm。通过金相学研究结果可知，两种温度下γ′相的体积分数均约为46%。由此推断，二次相的体积分数受固溶温度的影响甚微。2.2固溶处理与显微硬度的关系图6为不同时间下1200℃和1250℃固溶处理后试样的显微硬度变化。可以看出，时间相同的条件下（60min以前）固溶温度越高显微硬度越低。

两种温度下合金的显微硬度随着时间的延长（60min以后）趋于一致，由此推断，固溶时间超过60min后固溶温度对Inconel600镍基合金显微硬度的影响较小。不同固溶温度处理后的试样经过750℃×15h时效处理后，经测定其显微硬度基本相同（约为369.86HV）。

文献[12]研究表明，利用位错密度ρ可表示Inconel600镍基合金的剪切流变应力τ：τ=ημb姨ρ（1）式中，b为柏氏矢量，μ为合金的剪切模量，η为经验系数（0.25）。

文献[12]指出，SSD（刃位错）位错密度以及GND（螺位错）位错密度组成了Inconel600镍基合金的位错密度。其中，SSD位错为合金基体的固有位错，而硬度测试中合金近表面永久塑性形变引起

了GND位错。在相同的固溶时间下，高温对γ′形成原子的固溶起到了促进作用，降低了二次相含量，因此削弱了二次相与位错的相互作用。基体中的SSD位错密度随着固溶温度的升高而降低，即表现为固溶时间相同时，温度越高硬度越低。大部分的二次相随着固溶时间的延长逐渐溶入基体，同时基体中的SSD位错在界面处消失，降低了其位错密度，所以温度对Inconel600镍基合金硬度影响甚微。

在时效处理过程中，基体中的二次相逐渐析出，此时二次相与GND位错的相互作用为合金基体抗塑性变形的主要影响因素，即位错剪切机制向Orowan机制转变。按照文献[5]的研究，该转变的峰值应力对应的临界尺寸为：

式中，f为二次相体积分数，APB为反相畸界能，α为常数（2.694）。查询金属手册可知，电子束熔炼Inconel600镍基合金的柏氏矢量为0.247nm，剪切模量为79.86GPa，γ′成分和温度决定了反相畸界能（值在0.09~0.18J/m2之间），当γ′体积分数为45%时，经公式（2）计算临界尺寸为：70.56~129.77nm。1200℃和1250℃固溶+时效处理后，γ′相尺寸约为36nm，小于上述临界尺寸。因此，可将位错剪切所引起的临界剪切应力表示为：

式中，为γ′相平均粒子半径。为由于1200℃和1250℃固溶+时效处理后试样的γ′相体积分数相同、尺寸相同，所以其显微硬度趋于一致。利用固溶处理+时效处理后的Inconel600镍基合金其显微硬度可达到369.86HV，比传统方法[13]制备出的该合金硬度（288.56HV）高出28%。

这与电子束熔炼工艺处理后，试样二次相体积分数较高和二次相尺寸较小有关。3结论对于电子束熔炼Inconel600镍基合金，当固溶温度较低时（1100、1150和1200℃）G相随着固溶温度的升高而逐渐溶入到基体中，有利于二次相的析出；当温度升高至1250℃时，随着固溶时间的延长，基体中未发现二次相晶核；1200℃和1250℃固溶+时效处理后，固溶温度对合金二次相的体积分数影响较小；固溶温度对Inconel600镍基合金的显微硬度影响甚微，相比传统方法制备的Inconel600镍基合金，电子束熔炼制备+高温固溶+时效处理后的显微硬度更高。