DP處理后 GH4169合金在熱變形過程中的組織演變司家勇1,2,陳 龍1,廖曉航1,劉 娜1,鐘利萍1
(1.中南林業(yè)科技大學機電工程學院,長沙 410004;
2.中南大學粉末冶金研究院,粉末冶金國家重點實驗室,長沙 410083)
摘 要:對 DP處理后的 GH4169合金在變形溫度900~1060 ℃、應變速率0.001~0.500s-1下進行了熱壓縮變形試驗,研究了變形溫度、應變速率和應變量對合金顯微組織、δ相形貌以及δ相演變的影響,分析了組織演變機制.結果表明:DP 處理后合金的顯微組織中分布有大量片層狀/長針狀δ相,在高溫壓縮變形過程中變形斷裂和溶解斷裂的綜合作用下,隨應變量的增加,δ相發(fā)生彎曲、扭折直至球化;隨著變形溫度的升高或應變速率的降低,δ相含量逐漸減少,合金動態(tài)再結晶晶粒尺寸和動態(tài)再結晶體積分數(shù)逐漸增大.
關鍵詞:GH4169合金;DP處理;δ相;熱變形;動態(tài)再結晶
中圖分類號:TG146.1 文獻標志碼:A 文章編號:1000G3738(2017)04G0006G05
MicrostructureEvolutionofDeltaGProcessedGH4169AlloyduringHotDeformation
SIJiaGyong
1,2,CHENLong
1,LIAOXiaoGhang
1,LIUNa1,ZHONGLiGping
1
(1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,CentralSouthUniversityofForestryandTechnology,
Changsha410004,China;2.StateKeyLaboratoryofPowderMetallurgy,PowderMetallurgyResearchInstitute,
CentralSouthUniversity,Changsha410083,China)
Abstract:Thehotcompressivedeformationexperiments wereconductedonthedeltaGprocessed GH4169
alloyatthedeformationtemperaturesof900-1060 ℃ andstrainratesof0.001-0.500s-1.Theeffectsof
deformationtemperature,strainrateandstrainonthemicrostructureandthemorphologyandevolutionofδphase
werestudiedandtheevolutionmechanismofmicrostructurewasanalyzed.Theresultsshowthatalargenumberof
plateGlikeorlongGneedleGlikeδphasedistributedinthemicrostructureofthedeltaGprocessedalloy.Duringthehot
compressivedeformation,withtheincreaseofstrain,thebending,kinkingandspheroidizationoftheδphase
occuredduetothecombinedeffectsofdeformationanddissolutionbreakages.Withthedeformationtemperature
increasingorthestrainratedecreasing,thecontentofδphasedecreased,whilethegrainsizeandthevolume
fractionofdynamicrecrystallizationincreased.
Keywords:GH4169alloy;deltaGprocessed;δphase;hotdeformation;dynamicrecrystallization
0 引 言
GH4169合金是一種鈮強化的沉淀硬化型鐵鎳基高溫合金,由于其優(yōu)良的高溫力學性能,在航空工業(yè)中被廣泛用于制造一些關鍵零部件,如壓氣機盤、渦輪盤、軸和葉片等[1-3].GH4169合金以體心四方結構的γ″相(Ni3Nb)為主要強化相,同時輔以面心立方結構的弱強化相γ′(Ni3AlTi),正交結構的δ相(Ni3Nb)是γ″相的平衡相.GH4169合金的組織和性能對熱加工工藝很敏感,工藝控制不當會出現(xiàn)粗晶、混晶等現(xiàn)象,進而影響鍛件的持久缺口敏感性和沖擊韌性等性能[4].因 GH4169合金中的δ相可通過釘扎晶界阻礙晶粒長大,目 前 發(fā) 展 出 了 一 種 δ相 時 效 處 理 工 藝(DP),即在變形前的合金中通過適當?shù)奶幚眍A先析出δ相,通過控制熱加工過程中的變形工藝來獲取組織均勻細小且性能優(yōu)良的鍛件[5-8].目前,關于
GH4169合金高溫變形過程中δ相的溶解行為已有一些研究報道[9-14],但并沒有對δ相在變形過程中的演化機制以及δ相演變對合金高溫變形機制的影響進行深入探討.而系統(tǒng)研究經 DP處理后合金中δ相的演變過程與組織特征,不僅對 GH4169合金熱加工工藝的制定具有重要的指導意義,也可為變形組織和性能的精確控制提供理論依據.為此,作者對 DP 處理后 GH4169合金進行了高溫壓縮變形,研究了應變量、變形溫度和應變速率對δ相的演變過程與顯微組織的影響,討論了高溫壓縮變形過程中的組織演變機制,為該合金熱加工參數(shù)的制定和優(yōu)化提供依據.
1 試樣制備與試驗方法
1.1 試樣制備
試驗材料為遼寧撫順特鋼公司生產的規(guī)格為?200mm 的 GH4169合金鍛棒,其化學成分(質量分數(shù)/%)為0.036C,52.12Ni,18.75Cr,5.36Nb,2.99Mo,1.00Ti,0.49Al,0.004B,0.10Si,0.02Mn,0.04Co,余 Fe.從鍛棒上取樣進行 DP處理,先將試樣在1040 ℃保溫40min水冷,消除偏析和殘余應力,此時的顯微組織為奧 氏 體 和 少 量 的 碳 化 物,隨 后 在 900 ℃ 時 效24h,水冷至室溫.將經 DP處理的 GH4169合金鍛棒試樣機加工成?10mm×15mm 的試樣.
1.2 試驗方法
在計算機控制的 MTS815 型力學試驗機上進行高溫熱壓縮試驗,試樣兩端用高溫玻璃潤滑劑潤滑,變形溫度分別為900,940,980,1020,1060 ℃,應變速率分別為0.001,0.005,0.010,0.050,0.100,0.500s-1,應變量為70%.此外,還在980 ℃、應 變速率為0.010s-1 下,分 別 進 行 了 應 變 量 為 10%,30%,50%,70%的高溫熱壓縮試驗.將試樣壓縮至指定應變 量 后,立 即 快 速 水 淬 以 保 留 其 高 溫 變形組織.將 試 驗 獲 取 的 載 荷、壓 下 量 數(shù) 據 經 過 處理后得到試驗合金的真應力G真應變曲線.采用電火花線切割 將 壓 縮 后 的 試 樣 沿 軸 向 切 開,經 機 械拋光后用 50 mL H2O+40 mL HCl+10 mL HF混合溶液進行腐蝕,使用 LeicaDM4000型光學顯微鏡和 Quanta650型掃描電鏡觀察顯微組織.
2 試驗結果與討論
2.1 DP處理后的顯微組織
由圖1可 見,經 DP處 理 后,試 驗 合 金 中 原 始的奧氏 體 晶 界 已 基 本 消 失,其 組 織 為 魏 氏 體 +δ
相,δ相的體積分數(shù)約為9.6%.采用截線法測得的平均晶粒尺寸約為154μm,比鍛態(tài)的平均晶粒尺寸(48μm)大約100μm.δ相主要存在于晶內,大量呈 片 層 狀/長 針 狀,少 量 為 顆 粒/短 棒 狀.試驗合金中γ′和γ″相與基體γ相屬于共格關系,δ相與基體γ相為非共格關系,δ相在基體 γ晶內形核析出需要克服的能量壁壘很大.δ相形核 析 出 的位置與時效溫度有關,當溫度低于900℃時,δ相主要在晶界和孿晶界上形核;當溫度高于900 ℃時,δ相可以從基體γ晶內直接形核析出[15].試驗合金中鋁、鈦原子分數(shù)之和與鈮原子分數(shù)的比值為0.68(高于0.66),因此,晶內顆粒/短棒狀δ相主要由時效初期在晶內析出的γ′和γ″相轉變所形成[9].
圖1 經 DP處理后 GH4169合金的顯微組織和δ相形貌
Fig.1 Microstructure a andmorphologyofδphase b of
deltaGprocessedGH4169alloy
2.2 應變量對顯微組織的影響
由圖2可以看出,隨著應變量的增加,試驗合金的真應力快速升高達到峰值后逐漸降低并趨于穩(wěn)定.雖然高溫壓縮時在試樣兩端加有高溫玻璃潤滑劑,但試樣在變形過程中仍與壓頭之間存在摩擦,導致試樣側面產生鼓肚,因此,變形后試樣各區(qū)域應變量不同.由圖3(a)可見,其中心區(qū)域(位置1)應變量最大,為均勻變形區(qū)域;上下端面與壓頭接觸處(位置2)為難變形區(qū)域;側面鼓肚處(位置3)不受約束,為自由變形區(qū)域.由圖3(b)~(d)可以看出,因位置2處的應變量較小,原始δ相形貌基本沒有發(fā)生變化,僅局部片層狀/長針狀δ相發(fā)生溶解斷裂,形成不連續(xù)的片層狀/長針狀分布;位置3處在壓縮變形時應變量較大,δ相發(fā)生動態(tài)變形斷裂,且接近外加應力軸的片層狀/長針狀δ相出現(xiàn)較大程度的彎曲扭折,遠離外加應力軸的片層狀/長針狀δ相向水平方向發(fā)生偏轉;位置1處的應變量最大,片層狀/長針狀δ相彎曲扭折加劇,轉變?yōu)轭w粒/短棒狀δ相,偏轉繼續(xù)增大后δ相的動態(tài)溶解量進一步增加.
Zhang[10]和 Wang[12]等通過研究發(fā)現(xiàn),在高溫熱壓縮變形過程中,由于δ相與基體 γ相為非共格關系,運動位錯不易切割δ相,而是傾向于彎曲繞過δ相前進,但由于試驗合金中片層狀/長針狀δ相的尺寸較大,在變形過程中運動位錯很難繞過片層狀/長針狀δ相前進,而在δ相附近發(fā)生塞積,產生應力集中,當應力達到δ相的斷裂極限時,片層狀/長針狀δ相發(fā)生斷裂.Cai等[16]在研究δ相靜態(tài)溶解行為時發(fā)現(xiàn),針狀δ相存在溶解斷裂現(xiàn)象.這是因為在針狀δ相內部存在著亞晶界或高密度位錯區(qū)域,導致在相內產生界面張力,進而形成溝槽;相對于平面,溝槽兩側曲面的曲率半徑較小,溝槽曲面處的相會優(yōu)先溶解,破壞界面張力平衡,為了保持平衡,溝槽會進一步加深,這個過程反復進行,直至δ相溶解斷裂.由此可見,在壓縮變形過程中,外界施加的應變使得片層狀/長針狀δ相內部亞晶界或高密度位錯區(qū)域增大,進而導致δ相的變形斷裂;同時,運動位錯在片層狀/長針狀δ相附近大量塞積,在位錯應力場的 作 用 下,溶 質 易 被 吸 引 擴 散 到 位 錯 線 附近[17],為δ相中鈮原子的擴散提供快速通道,而鈮的加速擴散加速了變形過程中片層狀/長針狀δ相的溶解斷裂.正是由于變形斷裂和溶解斷裂的共同作用,高溫壓縮變形過程中片層狀/長針狀δ相發(fā)生球化,轉變?yōu)轭w粒/短棒狀δ相.經定量金相統(tǒng)計分析,在變形溫度980 ℃、應變速率0.010s-1下、應變量為30%的 GH4169合金位置1,2,3處的δ相體積分數(shù)分別約為6.2%,8.2%,6.6%.由圖4可見,當應變量為10%時,GH4169合金中部分片層狀/長針狀δ相在外力作用下發(fā)生明顯的扭折變形而斷裂,另外一部分片層狀/長針狀δ相發(fā)生溶解斷裂,形成不連續(xù)的顆粒狀/短棒狀δ相;隨 著應變量增加至30%,片層狀/長針狀δ相扭折加劇,由初始的貫穿整個大晶粒的片層狀/長針狀轉變?yōu)轭w粒狀/短棒狀,部分δ相溶解消失,δ相含量減少;當應變量進一步加大至50%,70%時,δ相大部分轉變?yōu)轭w粒狀/短棒狀,部分粗化溶解進入基體,難以分辨,其含量進一步減少.
2.3 變形溫度對顯微組織的影響
由圖5可見,變形溫度為900℃時,試驗合金中的片層狀/長針狀δ相沿外加載荷方向嚴重彎曲,成為顆粒狀/短棒狀δ相,只有少量的動態(tài)再結晶晶粒形成;變形溫度升高至940 ℃和980 ℃時,片層狀/長針狀δ相發(fā)生變形斷裂和溶解斷裂,含量不斷降低,至1020 ℃時,由于該溫度為δ相的溶解溫度,因此δ相基本完全消失.此外,動態(tài)再結晶程度也隨著變形溫度的升高而不斷增大,動態(tài)再結晶等軸晶粒的體積分數(shù)逐漸升高,且晶粒尺寸不斷長大并趨于均勻.這是因為變形溫度的升高能夠促進動態(tài)再結晶的均勻發(fā)生[17],有利于片層狀/長針狀δ相的溶解,所以δ相含量減少.
圖5 在不同溫度、應變速率為0.010s-1下壓縮至應變量為70%后 GH4169合金的顯微組織
Fig.5 MicrostructuresofGH4169alloyaftercompressionforstrainof70% atstrainrateof0.010s-1anddifferenttemperatures
晶粒的體積分數(shù)逐漸升高,且晶粒尺寸不斷長大并趨于均勻.這是因為變形溫度的升高能夠促進動態(tài)再結晶的均勻發(fā)生[17],有利于片層狀/長針狀δ相
的溶解,所以δ相含量減少.
2.4 應變速率對顯微組織的影響
由圖6可知,在980℃、不同應變速率下壓縮變形后,GH4169合金的顯微組織相似,都存在由再結晶形成的等軸晶粒,絕大多數(shù)片層狀/長針狀δ相明顯彎曲、扭折或破碎,發(fā)生變形斷裂和溶解斷裂,沿
外加載荷方向出現(xiàn)明顯的條帶狀組織.但在低應變速率下變形后的顯微組織中,未斷裂的片層狀/長針狀δ相含量比高應變速率下的少,且球狀δ相含量更多,織更加均勻,說明低的應變速率有利于良好變形組織的形成.這是因為在高溫變形時,低應變速率能夠延長變形過程,使位錯交滑移和擴散攀移過程能夠充分進行[17],這有利于動態(tài)再結晶的進行
和片層狀/長針狀δ相的分解與球化,從而形成均勻的變形組織..
3 結 論
(1)經DP處理后GH4169合金的顯微組織中分布有大量片層狀/長針狀和顆粒狀/短棒狀δ相,在高溫壓縮變形過程中由于變形斷裂和溶解斷裂的綜合作用,片層狀/長針狀δ相發(fā)生彎曲、扭折直至球化.
(2)隨著變形溫度的升高或應變速率的降低,經 DP處理的 GH4169合金中δ相含量逐漸減少,合金動態(tài)再結晶晶粒尺寸和動態(tài)再結晶體積分數(shù)逐漸增大.