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瀏覽:- 發(fā)布日期:2021-05-24 17:06:56【

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(xué)機(jī)電工程學(xué)院,長(zhǎng)沙410004;

2.中南大學(xué)粉末冶金研究院,粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙410083)

摘 要:對(duì)DP處理后的GH4169合金在變形溫度900~1060 ℃、應(yīng)變速率0.001~0.500s-1

下進(jìn)行了熱壓縮變形試驗(yàn),研究了變形溫度、應(yīng)變速率和應(yīng)變量對(duì)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(jī)制.結(jié)果表明:DP處理后合金的顯微組織中分布有大量片層

狀/長(zhǎng)針狀δ相,在高溫壓縮變形過(guò)程中變形斷裂和溶解斷裂的綜合作用下,隨應(yīng)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(yīng)變速率的降低,δ相含量逐漸減少,合金動(dòng)態(tài)再

結(jié)晶晶粒尺寸和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)逐漸增大.

關(guān)鍵詞:GH4169合金;DP處理;δ相;熱變形;動(dòng)態(tài)再結(jié)晶

中圖分類號(hào):TG146.1   文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A   文章編號(hào):1000G3738(2017)04G0006G05

MicrostructureEvolutionofDeltaGProcessedGH4169AlloyduringHotDeformation

SIJiaGyong1,2,CHENLong1,LIAOXiaoGhang1,LIUNa1,ZHONGLiGping1

(1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,CentralSouthUniversityofForestryandTechnology,

Changsha410004,China;2.StateKeyLaboratoryofPowderMetallurgy,PowderMetallurgyResearchInstitute,

CentralSouthUniversity,Changsha410083,China)

Abstract::ThehotcompressivedeformationexperimentswereconductedonthedeltaGprocessed 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(qiáng)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(xué)性能,在航空工業(yè)中被廣泛用于制造一些關(guān)鍵零部件,如壓氣機(jī)盤(pán)、渦輪盤(pán)、軸和葉片等[1-3].GH4169合金以體心四方結(jié)構(gòu)的γ″相(Ni3Nb)為主要強(qiáng)化相,同時(shí)輔以面心立方結(jié)構(gòu)的弱強(qiáng)化相γ′(Ni3AlTi),正交結(jié)構(gòu)的δ相(Ni3Nb)是γ″相的平衡相.GH4169合金的組織

和性能對(duì)熱加工工藝很敏感,工藝控制不當(dāng)會(huì)出現(xiàn)粗晶、混晶等現(xiàn)象,進(jìn)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(guò)釘扎晶界阻礙晶粒長(zhǎng)大,目前發(fā)展出了一種δ相時(shí)效處理工藝(DP),即在變形前的合金中通過(guò)適當(dāng)?shù)奶幚眍A(yù)先析出δ相,通過(guò)控制熱加工過(guò)程中的變形工藝來(lái)獲取組織均勻細(xì)小且性能優(yōu)良的鍛件[5-8].目前,關(guān)于6 司家勇,等:DP處理后GH4169合金在熱變形過(guò)程中的組織演變GH4169合金高溫變形過(guò)程中δ相的溶解行為已有一些研究報(bào)道[9-14],但并沒(méi)有對(duì)δ相在變形過(guò)程中的演化機(jī)制以及δ相演變對(duì)合金高溫變形機(jī)制的影響進(jìn)行深入探討.而系統(tǒng)研究經(jīng)DP處理后合金中δ相的演變過(guò)程與組織特征,不僅對(duì)GH4169合金

熱加工工藝的制定具有重要的指導(dǎo)意義,也可為變形組織和性能的精確控制提供理論依據(jù).為此,作者對(duì)DP處理后GH4169合金進(jìn)行了高溫壓縮變形,研究了應(yīng)變量、變形溫度和應(yīng)變速率對(duì)δ相的演變過(guò)程與顯微組織的影響,討論了高溫

壓縮變形過(guò)程中的組織演變機(jī)制,為該合金熱加工參數(shù)的制定和優(yōu)化提供依據(jù).

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)材料為遼寧撫順特鋼公司生產(chǎn)的規(guī)格為?200mm的GH4169合金鍛棒,其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?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(jìn)行DP處理,先將試樣在1040℃保溫40min水冷,消除偏析和殘余應(yīng)力,此時(shí)的顯微組織為奧氏體和少量的碳化物,隨后在900 ℃時(shí)效24h,水冷至室溫.將經(jīng)DP處理的GH4169合金鍛棒試樣機(jī)加工成?10mm×15mm的試樣.

1.2 試驗(yàn)方法

在計(jì)算機(jī)控制的MTS815型力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行高溫?zé)釅嚎s試驗(yàn),試樣兩端用高溫玻璃潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑,變形溫度分別為900,940,980,1020,1060 ℃,應(yīng)變速率分別為0.001,0.005,0.010,0.050,0.100,

0.500s-1,應(yīng)變量為70%.此外,還在980 ℃、應(yīng)變速率為0.010s-1下,分別進(jìn)行了應(yīng)變量為10%,

30%,50%,70%的高溫?zé)釅嚎s試驗(yàn). 將試樣壓縮至指定應(yīng)變量后,立即快速水淬以保留其高溫變形組織.將試驗(yàn)獲取的載荷、壓下量數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后得到試驗(yàn)合金的真應(yīng)力G真應(yīng)變曲線. 采用電火花線切割將壓縮后的試樣沿軸向切開(kāi),經(jīng)機(jī)械拋后用50 mL H2O+40 mL HCl+10 mL HF混合溶液進(jìn)行腐蝕,使用LeicaDM4000型光學(xué)顯微鏡Quanta650型掃描電鏡觀察顯微組織.

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 DP處理后的顯微組織

由圖1可見(jiàn),經(jīng)DP處理后,試驗(yàn)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?jǐn)?shù)約為9.6%. 采用截線法測(cè)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(nèi),大量呈片層狀/長(zhǎng)針狀,少量為顆粒/短棒狀. 試驗(yàn)合金中γ′和γ″相與基體γ相屬于共格關(guān)系,δ相與基體γ相為非共格關(guān)系,δ相在基體γ晶內(nèi)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(shí)效溫度有關(guān),當(dāng)溫度低于900℃時(shí),δ相主要在晶界和孿晶界上形核;當(dāng)溫度高于900 ℃時(shí),δ相可以從基體γ晶內(nèi)直接形核析出[15].試驗(yàn)合金中

鋁、鈦原子分?jǐn)?shù)之和與鈮原子分?jǐn)?shù)的比值為0.68(高于0.66),因此,晶內(nèi)顆粒/短棒狀δ相主要由時(shí)效初期在晶內(nèi)析出的γ′和γ″相轉(zhuǎn)變所形成[9].

圖1 經(jīng)DP處理后GH4169合金的顯微組織和δ相形貌

圖1 經(jīng)DP處理后GH4169合金的顯微組織和δ相形貌

Fig敭1 Microstructure a andmorphologyofδphase b ofdeltaGprocessedGH4169alloy


2.2 應(yīng)變量對(duì)顯微組織的影響


由圖2可以看出,隨著應(yīng)變量的增加,試驗(yàn)合金的真應(yīng)力快速升高達(dá)到峰值后逐漸降低并趨于穩(wěn)定.

圖2 在980 ℃、0.010s-1下壓縮時(shí)GH4169合金的真應(yīng)力G真應(yīng)變曲線

DP處理后GH4169合金在熱變形過(guò)程中的組織演變雖然高溫壓縮時(shí)在試樣兩端加有高溫玻璃潤(rùn)滑劑,但試樣在變形過(guò)程中仍與壓頭之間存在摩擦,導(dǎo)致試樣側(cè)面產(chǎn)生鼓肚,因此,變形后試樣各區(qū)域應(yīng)變量不同.由圖3(a)可見(jiàn),其中心區(qū)域(位置1)應(yīng)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(cè)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(yīng)變量較小,原始δ相形貌基本沒(méi)有發(fā)生變化,僅局部片層狀/長(zhǎng)針狀δ相發(fā)生溶解斷裂,形成不連續(xù)的片層狀/長(zhǎng)針狀分布;位置3處在壓縮變形時(shí)應(yīng)變量較大,δ相發(fā)生動(dòng)態(tài)變形斷裂,且接近外加應(yīng)力軸的片層狀/長(zhǎng)針狀δ相出現(xiàn)較大程度的彎曲扭折,遠(yuǎn)離外加應(yīng)力軸的片層狀/長(zhǎng)針狀δ相向水平方向發(fā)生偏轉(zhuǎn);位置1處的應(yīng)變量最大,片層狀/長(zhǎng)針狀δ相彎曲扭折加劇,轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒/短棒狀δ相,偏轉(zhuǎn)繼續(xù)增大后δ相的動(dòng)態(tài)溶解量進(jìn)一步增加.

圖3 在980 ℃、應(yīng)變速率為0.010s-1下壓縮至應(yīng)變量為30%后GH4169合金不同區(qū)域的顯微組織

圖3 在980 ℃、應(yīng)變速率為0.010s-1下壓縮至應(yīng)變量為30%后GH4169合金不同區(qū)域的顯微組織

Fig.3 MicrostructuresatdifferentareasofGH4169alloyaftercompressionforstrainof30% at980 ℃ andstrainrateof0敭010s-1 a schematicdiagramofcrosssection b position2 c position3and d position1


Zhang[10]和Wang[12]等通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),在高溫?zé)釅嚎s變形過(guò)程中,由于δ相與基體γ相為非共格關(guān)系,運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)不易切割δ相,而是傾向于彎曲繞過(guò)δ相前進(jìn),但由于試驗(yàn)合金中片層狀/長(zhǎng)針狀δ相的尺寸較大,在變形過(guò)程中運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)很難繞過(guò)片層狀/長(zhǎng)針狀δ相前進(jìn),而在δ相附近發(fā)生塞積,產(chǎn)生應(yīng)力集中,當(dāng)應(yīng)力達(dá)到δ相的斷裂極限時(shí),片層狀/長(zhǎng)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(shí)發(fā)現(xiàn),針狀δ相存在溶解斷裂現(xiàn)象.這是因?yàn)樵卺槧瞀南鄡?nèi)部存在著亞晶界或高密度位錯(cuò)區(qū)域,導(dǎo)致在相內(nèi)產(chǎn)生界面張力,進(jìn)而形成溝槽;相對(duì)于平面,溝槽兩側(cè)曲面的曲率半徑較小,溝槽曲面處的相會(huì)優(yōu)先溶解,破壞界面張力平衡,為了保持平衡,溝槽會(huì)進(jìn)一步加深,這個(gè)過(guò)程反復(fù)進(jìn)行,直至δ相溶解斷裂.由此可見(jiàn),在壓縮變形過(guò)程中,外界施加的應(yīng)變使得片層狀/長(zhǎng)針狀δ相內(nèi)部亞晶界或高密度位錯(cuò)區(qū)域增大,進(jìn)而導(dǎo)致δ相的變形斷裂;同時(shí),運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)在片層狀/長(zhǎng)針狀δ相附近大量塞積,在位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)的作用下,溶質(zhì)易被吸引擴(kuò)散到位錯(cuò)線附近[17],為δ相中鈮原子的擴(kuò)散提供快速通道,而鈮的加速擴(kuò)散加速了變形過(guò)程中片層狀/長(zhǎng)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(guò)程中片層狀/長(zhǎng)針狀δ相發(fā)生球化,轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒/短棒狀δ相.經(jīng)定量金相統(tǒng)計(jì)分析,在變形溫度980℃、應(yīng)變率0.010s-1下、應(yīng)變量為30%的GH4169合金位置1,2,3處的δ相體積分?jǐn)?shù)分別約為6.2%,8.2%,6.6%.

由圖4可見(jiàn),當(dāng)應(yīng)變量為10%時(shí),GH4169合金中部分片層狀/長(zhǎng)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(zhǎng)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(yīng)變量增加至30%,片層狀/長(zhǎng)針狀δ相扭折

圖4 在980 ℃、應(yīng)變速率為0.010s-1下壓縮至不同應(yīng)變量后GH4169合金的顯微組織

圖4 在980 ℃、應(yīng)變速率為0.010s-1下壓縮至不同應(yīng)變量后GH4169合金的顯微組織

Fig.4 MicrostructuresofGH4169alloyaftercompressionfordifferentstrainsat980 ℃ andstrainrateof0.010s-1

加劇,由初始的貫穿整個(gè)大晶粒的片層狀/長(zhǎng)針狀轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒狀/短棒狀,部分δ相溶解消失,δ相含量減少;當(dāng)應(yīng)變量進(jìn)一步加大至50%,70%時(shí),δ相大部分轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒狀/短棒狀,部分粗化溶解進(jìn)入基體,難以分辨,其含量進(jìn)一步減少.

圖5 在不同溫度、應(yīng)變速率為0.010s-1下壓縮至應(yīng)變量為70%后GH4169合金的顯微組織



圖5 在不同溫度、應(yīng)變速率為0.010s-1下壓縮至應(yīng)變量為70%后GH4169合金的顯微組織


Fig.5 MicrostructuresofGH4169alloyaftercompressionforstrainof70% atstrainrateof0.010s-1anddifferenttemperatures

由圖5可見(jiàn),變形溫度為900℃時(shí),試驗(yàn)合金中的片層狀/長(zhǎng)針狀δ相沿外加載荷方向嚴(yán)重彎曲,成為顆粒狀/短棒狀δ相,只有少量的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒形成;變形溫度升高至940 ℃和980 ℃時(shí),片層狀/長(zhǎng)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(shí),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(dòng)態(tài)再結(jié)晶程度也

隨著變形溫度的升高而不斷增大,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶等軸晶粒的體積分?jǐn)?shù)逐漸升高,且晶粒尺寸不斷長(zhǎng)大并趨于均勻.這是因?yàn)樽冃螠囟鹊纳吣軌虼龠M(jìn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的均勻發(fā)生[17],有利于片層狀/長(zhǎng)針狀δ相的溶解,所以δ相含量減少.

2.4 應(yīng)變速率對(duì)顯微組織的影響

由圖6可知,在980℃、不同應(yīng)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(jié)晶形成的等軸晶粒,絕大多數(shù)片層狀/長(zhǎng)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(yīng)變速率下變形后的顯微組織中,未斷裂的片層狀/長(zhǎng)針狀δ相含量比高應(yīng)變速率下的少,且球狀δ相含量更多,組織更加均勻,說(shuō)明低的應(yīng)變速率有利于良好變形組織的形成.這是因?yàn)樵诟邷刈冃螘r(shí),低應(yīng)變速率能夠延長(zhǎng)變形過(guò)程,使位錯(cuò)交滑移和擴(kuò)散攀移過(guò)程能夠充分進(jìn)行[17],這有利于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的進(jìn)行和片層狀/長(zhǎng)針狀δ相的分解與球化,從而形成均勻

的變形組織.

圖6 在980 ℃、不同應(yīng)變速率下壓縮至應(yīng)變量為70%后GH4169合金的顯微組織

圖6 在980 ℃、不同應(yīng)變速率下壓縮至應(yīng)變量為70%后GH4169合金的顯微組織

Fig.6 MicrostructuresofGH4169alloyaftercompressionforstrainof70% at980 ℃ anddifferentstrainrates

3 結(jié) 論

(1)經(jīng)DP處理后GH4169合金的顯微組織中分布有大量片層狀/長(zhǎng)針狀和顆粒狀/短棒狀δ相,在高溫壓縮變形過(guò)程中由于變形斷裂和溶解斷裂的綜合作用,片層狀/長(zhǎng)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(yīng)變速率的降低,

經(jīng)DP處理的GH4169合金中δ相含量逐漸減少,

合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)逐漸增大.

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