轻点太紧了太大了太深了好疼

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    瀏覽:- 發布日期:2021-06-29 15:40:59【

    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,合金動態再結晶晶粒尺寸和動態再結晶體積分數逐漸增大.

    關鍵詞:GH4169合金;DP處理;δ相;熱變形;動態再結晶

    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.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,由于其優良的高溫力學性能,在航空工業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粗晶、混晶等現象,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 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的處理預先析出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的制定和優化提供依據.

    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格為?200mm 的 GH4169合金鍛棒,其化學成分(質量分數/%)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 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相的體積分數約為9.6%.采用截線法測得的平均晶粒尺寸約為154μm,比鍛態的平均晶粒尺寸(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、鈦原子分數之和與鈮原子分數的比值為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


    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,變形后試樣各區域應變量不同.由圖3(a)可見,其中心區域(位置1)應變量最大,為均勻變形區域;上下端面與壓頭接觸處(位置2)為難變形區域;側面鼓肚處(位置3)不受約束,為自由變形區域.由圖3(b)~(d)可以看出,因位置2處的應變量較小,原始δ相形貌基本沒有發生變化,僅局部片層狀/長針狀δ相發生溶解斷裂,形成不連續的片層狀/長針狀分布;位置3處在壓縮變形時應變量較大,δ相發生動態變形斷裂,且接近外加應力軸的片層狀/長針狀δ相出現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,轉變為顆粒/短棒狀δ相,偏轉繼續增大后δ相的動態溶解量進一步增加.



    在980 ℃、0.010s-1下壓縮時 GH4169合金的真應力G

    在980 ℃、應變速率為0.010s-1下壓縮至應變量為30%后

    Zhang[10]和 Wang[12]等通過研究發現,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相發生斷裂.Cai等[16]在研究δ相靜態溶解行為時發現,針狀δ相存在溶解斷裂現象.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相發生球化,轉變為顆粒/短棒狀δ相.經定量金相統計分析,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相發生溶解斷裂,形成不連續的顆粒狀/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/長針狀轉變為顆粒狀/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相大部分轉變為顆粒狀/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.


    圖4 在980 ℃、應變速率為0.010s-1

    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,動態再結晶程度也隨著變形溫度的升高而不斷增大,動態再結晶等軸晶粒的體積分數逐漸升高,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再結晶的均勻發生[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

    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再結晶的均勻發生[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,絕大多數片層狀/長針狀δ相明顯彎曲、扭折或破碎,發生變形斷裂和溶解斷裂,沿

    外加載荷方向出現明顯的條帶狀組織.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..



    圖6 在980 ℃、不同應變速率下壓縮至應變量為70%

    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,合金動態再結晶晶粒尺寸和動態再結晶體積分數逐漸增大.

    (文章來源:材料與測試網)

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