·572· 工程科学学报，第40卷，第5期 1500C is a Mo-rich carbide of MC type and that the initial precipitation temperature of this MC-type carbide is in the liquid-solid phase range.The grains grow slowly when the solution temperature is less than 1200C.When the solution temperature is increased to 1230C,the grains grow quickly to an average size of 160 um;the grains are homogeneous when the temperature is maintained at 1180 C for 10 min.Tensile tests show that a higher solution temperature decreases the strength and increases the elongation.The tensile fracture mechanism of GH3535 alloy is microporous aggregation. KEY WORDS GH3535 alloy;thermodynamic calculation;heat treatment;microstructure;mechanical property 目前，随着对安全可靠核能的需求的提高，下一 1实验材料及方法 代核反应堆的发展越来越受到重视.钍熔盐反应堆 (TMSR)因其安全性高、核废料减少、核不扩散等优 本实验所采用的GH3535合金通过真空感应 势而被认为是未来最有前景的核反应堆1-2】.钍熔 (VIM)+真空自耗重熔(VAR)的双联工艺冶炼而 盐反应堆最大的特点就是采用熔盐燃料及针232作 成，经均匀化后开坯锻造成圆形钢锭，再经过热挤 为增殖原料，系统中的关键部件受到熔融氟化钠的 压+多道次冷轧成外径为中38mm,壁厚为3.5mm 强腐蚀环境、650~850℃高温以及辐照的交互影 的管材.其主要的化学成分如表1所示 响，因此钍熔盐反应堆系统中反应系统管道、堆芯包 表1GH3535合金的化学成分（质量分数） 壳和结构组件的选材十分关键且要求苛刻3-].Ni- Table 1 Chemical compositions of GH3535 % C-Mo系合金由于具有优异的抗辐照、腐蚀性能以 C Cr Mo Fe Si Mn Al+Ti Co Ni 及高温力学性能，因此，在20世纪60年代美国橡树 0.04 8 183.50.50.80.30.02Bal. 岭国家实验室专门为熔盐堆研发了一种Ni-C-Mo 采用JMatpro软件对GH3535合金中可能析出 系的高温合金Hastelloy N(国内牌号GH3535)[s-7刀 的平衡相进行了热力学模拟，以揭示析出相的析出 GH3535合金的Mo质量分数高达15%~18%， 规律以及主要成分：为了研究热处理制度对合金组 如此高的Mo含量，一方面提高了合金的固溶强度 织和性能的影响，在冷轧管上直接取样，然后进行不 效果，另一方面导致基体中析出大量富Mo的M,C 同制度的固溶处理，分别在1120、1140、1160、1180、 型碳化物8]，研究表明，这些富Mo碳化物的析出 1190、1200及1230℃保温10min、20min.试样到温 会对合金的组织及使用性能产生较大的影响.Xu 装炉，固溶处理后进行快速水淬.将机械抛光后的 等[]在研究Si含量对GH3535影响时发现，大量聚 试样进行化学侵蚀，侵蚀剂为5 g CuCl2+100mL 集的M,C型碳化物会降低合金的拉伸性能.碳化 HCl+100mLC,H0H,试样在溶剂中浸蚀30~90s, 物在变形过程中往往会成为裂纹源，从而大大会降 利用光学显微镜及扫描电镜（日立-3400N)观察合 低合金的冷加工性能及力学性能.亦有研究表 金的微观组织.在Zwick试验机上进行拉伸试验， 明)，GH3535合金的晶粒尺寸与合金中的碳化物 测定钢管的屈服强度、抗拉强度，并利用扫描电镜对 数量密切相关，晶粒尺寸和碳化物数量协同影响合 其断口进行分析 金的断裂延伸率.由此可见，控制碳化物析出及合 2实验结果与讨论 金的晶粒尺寸对其使用性能至关重要.而最有效的 控制办法就是利用热处理制度对碳化物析出及品粒 2.1热力学平衡计算 尺寸进行调整.近年来，虽已有一些关于热处理制 经热力学计算后，GH3535合金中各相析出数 度对GH3535碳化物及晶粒尺寸影响的研究报道， 量与温度的关系如图1所示，在900~1500℃之间， 但绝大多数的研究试样来自于实验室制得的样品或 合金的析出相为M,C型碳化物及Y相，计算结果与 者只是在锻棒上取样，这与实际生产存在一些差别， 已有的研究报告一致o-).并且可以观察到，M。C 尤其是GH3535无缝管的制造. 相在固液两相区时便已经开始形成，随着温度的降 为此，本文在冷轧态的GH3535无缝管上直接 低析出数量增加.在1100℃时，M。C的析出量（质 取样，研究了不同热处理制度对合金晶粒尺寸及其 量分数)达到1.83%，由于热力学计算的是稳定平 均匀性、碳化物析出特征以及力学性能的影响规律. 衡相，因此具体析出量还需考虑到析出动力学的 以期为实际生产中应用热处理制度来调整GH3535 问题. 的性能，提供一些实验和理论依据 高温合金中M。C是一种三元碳化物，即A,B,工程科学学报,第 40 卷,第 5 期 1500 益 is a Mo鄄rich carbide of M6C type and that the initial precipitation temperature of this M6C鄄type carbide is in the liquid鄄鄄solid phase range. The grains grow slowly when the solution temperature is less than 1200 益 . When the solution temperature is increased to 1230 益 , the grains grow quickly to an average size of 160 滋m; the grains are homogeneous when the temperature is maintained at 1180 益 for 10 min. Tensile tests show that a higher solution temperature decreases the strength and increases the elongation. The tensile fracture mechanism of GH3535 alloy is microporous aggregation. KEY WORDS GH3535 alloy; thermodynamic calculation; heat treatment; microstructure; mechanical property 目前,随着对安全可靠核能的需求的提高,下一 代核反应堆的发展越来越受到重视. 钍熔盐反应堆 (TMSR)因其安全性高、核废料减少、核不扩散等优 势而被认为是未来最有前景的核反应堆[1鄄鄄2] . 钍熔 盐反应堆最大的特点就是采用熔盐燃料及钍 232 作 为增殖原料,系统中的关键部件受到熔融氟化钠的 强腐蚀环境、650 ~ 850 益 高温以及辐照的交互影 响,因此钍熔盐反应堆系统中反应系统管道、堆芯包 壳和结构组件的选材十分关键且要求苛刻[3鄄鄄4] . Ni鄄鄄 Cr鄄鄄Mo 系合金由于具有优异的抗辐照、腐蚀性能以 及高温力学性能,因此,在 20 世纪 60 年代美国橡树 岭国家实验室专门为熔盐堆研发了一种 Ni鄄鄄 Cr鄄鄄 Mo 系的高温合金 Hastelloy N(国内牌号 GH3535) [5鄄鄄7] . GH3535 合金的 Mo 质量分数高达 15% ~ 18% , 如此高的 Mo 含量,一方面提高了合金的固溶强度 效果,另一方面导致基体中析出大量富 Mo 的 M6 C 型碳化物[8] . 研究表明,这些富 Mo 碳化物的析出 会对合金的组织及使用性能产生较大的影响. Xu 等[9]在研究 Si 含量对 GH3535 影响时发现,大量聚 集的 M6C 型碳化物会降低合金的拉伸性能. 碳化 物在变形过程中往往会成为裂纹源,从而大大会降 低合金的冷加工性能及力学性能. 亦有研究表 明[9] ,GH3535 合金的晶粒尺寸与合金中的碳化物 数量密切相关,晶粒尺寸和碳化物数量协同影响合 金的断裂延伸率. 由此可见,控制碳化物析出及合 金的晶粒尺寸对其使用性能至关重要. 而最有效的 控制办法就是利用热处理制度对碳化物析出及晶粒 尺寸进行调整. 近年来,虽已有一些关于热处理制 度对 GH3535 碳化物及晶粒尺寸影响的研究报道, 但绝大多数的研究试样来自于实验室制得的样品或 者只是在锻棒上取样,这与实际生产存在一些差别, 尤其是 GH3535 无缝管的制造. 为此,本文在冷轧态的 GH3535 无缝管上直接 取样,研究了不同热处理制度对合金晶粒尺寸及其 均匀性、碳化物析出特征以及力学性能的影响规律. 以期为实际生产中应用热处理制度来调整 GH3535 的性能,提供一些实验和理论依据. 1 实验材料及方法 本实验所采用的 GH3535 合金通过真空感应 (VIM) + 真空自耗重熔(VAR) 的双联工艺冶炼而 成,经均匀化后开坯锻造成圆形钢锭,再经过热挤 压 + 多道次冷轧成外径为 准38 mm,壁厚为 3郾 5 mm 的管材. 其主要的化学成分如表 1 所示. 表 1 GH3535 合金的化学成分 (质量分数) Table 1 Chemical compositions of GH3535 % C Cr Mo Fe Si Mn Al + Ti Co Ni 0郾 04 8 18 3郾 5 0郾 5 0郾 8 0郾 3 0郾 02 Bal. 采用 JMatpro 软件对 GH3535 合金中可能析出 的平衡相进行了热力学模拟,以揭示析出相的析出 规律以及主要成分;为了研究热处理制度对合金组 织和性能的影响,在冷轧管上直接取样,然后进行不 同制度的固溶处理,分别在 1120、1140、1160、1180、 1190、1200 及 1230 益保温 10 min、20 min. 试样到温 装炉,固溶处理后进行快速水淬. 将机械抛光后的 试样进行化学侵蚀,侵蚀剂为 5 g CuCl 2 + 100 mL HCl + 100 mL C2H5OH,试样在溶剂中浸蚀 30 ~ 90 s, 利用光学显微镜及扫描电镜(日立鄄鄄3400N)观察合 金的微观组织. 在 Zwick 试验机上进行拉伸试验, 测定钢管的屈服强度、抗拉强度,并利用扫描电镜对 其断口进行分析. 2 实验结果与讨论 2郾 1 热力学平衡计算 经热力学计算后,GH3535 合金中各相析出数 量与温度的关系如图 1 所示,在 900 ~ 1500 益 之间, 合金的析出相为 M6C 型碳化物及 酌 相,计算结果与 已有的研究报告一致[10鄄鄄11] . 并且可以观察到,M6 C 相在固液两相区时便已经开始形成,随着温度的降 低析出数量增加. 在 1100 益 时,M6 C 的析出量(质 量分数)达到 1郾 83% ,由于热力学计算的是稳定平 衡相,因此具体析出量还需考虑到析出动力学的 问题. 高温合金中 M6 C 是一种三元碳化物,即 A3 B3 ·572·