GH738合金在不同變形條件下的再結(jié)晶過(guò)程

王建國(guó)，劉 東，張 睿，楊艷慧，鄭 勇

(西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，陜西 西安 710072)

0 前言

GH738合金 (國(guó)外牌號(hào)Waspaloy)是以γ＇相沉淀強(qiáng)化的鎳基高溫合金，具有良好的耐燃?xì)飧g能力，較高的屈服強(qiáng)度和疲勞性能，工藝性能良好，組織穩(wěn)定，可在815℃以下使用，廣泛用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件。GH738合金顯微組織由γ相、γ＇相、一次碳化物MC相、二次碳化物M23C6相及少量μ相和σ相組成。FCC結(jié)構(gòu)的 γ相為基體，點(diǎn)陣常數(shù)約為0.352～0.360 nm。同為 FCC結(jié)構(gòu)的 γ＇相的含量約為22%，是GH738合金的主要強(qiáng)化相，點(diǎn)陣常數(shù)為 0.356 ～0.361 nm［1-3］。

Semiatin，F(xiàn)agin研究了單晶Waspaloy合金在熱加工過(guò)程中的變形行為，確定了基本的滑移系為({111}。Shen 等建立了 Waspaloy合金在鍛造過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)演化模型［5］。姚志浩等通過(guò)物理熱模擬實(shí)驗(yàn)，建立了GH738合金在熱變形過(guò)程中的微觀組織演化模型和應(yīng)力－應(yīng)變模型［6］。Stone等研究了Waspaloy在塑性成形過(guò)程中的微應(yīng)變演化特征［7］。本文通過(guò)壓縮錐形試樣研究了溫度和變形程度對(duì)GH738合金微觀組織的影響，分析了不同變形程度下，合金的再結(jié)晶晶粒尺寸、再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)和平均晶粒尺寸的演化情況，為制定GH738合金熱態(tài)變形工藝提供了理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料為GH738高溫合金，其化學(xué)成分為 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%):0.05C，19.8Cr，4.29Mo，3.02Ti，1.33Al，13.6Co，0.78Fe，0.07Zr，余量為Ni。試樣取自Φ125 mm的軋棒，經(jīng)機(jī)加工后獲得的錐形試樣尺寸如圖1所示。通過(guò)壓縮錐形試樣研究了GH738合金在變形溫度在1060～1180℃范圍內(nèi)，變形程度25% ～82%范圍內(nèi)的微觀組織演化行為。模具材料為K403鑄造高溫合金，模具預(yù)熱溫度950℃。實(shí)驗(yàn)在3150 kN液壓機(jī)上進(jìn)行，滑塊速度為5 mm/s。試樣壓縮后冷卻方式為空冷。

試樣變形后用線切割沿縱向切開，經(jīng)研磨、拋光、腐蝕后用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行顯微組織分析。假定變形過(guò)程只改變晶粒形狀，變形晶粒的體積變化主要由再結(jié)晶過(guò)程控制。因此，可以認(rèn)為尺寸為一定大小的晶粒為再結(jié)晶晶粒，剩余的拉長(zhǎng)晶粒為殘余原始晶粒。

圖1 錐形試樣外形及尺寸Fig.1 Configuration and dimension of conical sample

假設(shè)試樣初始高度為l0，變形后的高度為l，將等效應(yīng)變視為真應(yīng)變，變形后的等效應(yīng)變與名義應(yīng)變可以通過(guò)以下公式進(jìn)行換算:

從式 (1)和式 (2)可得:

應(yīng)用DEFORM軟件對(duì)錐形試樣壓縮過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，壓縮后試樣縱截面上等效應(yīng)變分布情況如圖2所示，從縱截面中心開始，沿徑向依次取8個(gè)樣點(diǎn) (圖3)，由這8個(gè)點(diǎn)的等效應(yīng)變，根據(jù)公式 (4)計(jì)算出各點(diǎn)的名義應(yīng)變，見表1。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 溫度對(duì)GH738合金微觀組織的影響

圖4為不同溫度下壓縮后試樣縱截面中心點(diǎn)處的微觀組織 (圖3中的a點(diǎn))。從圖可以看出，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形成的細(xì)晶組織和未發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的原始組織明顯不同。在1060℃時(shí)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形成的細(xì)晶粒主要分布在原始晶粒的邊界上 (圖4a)，一定數(shù)量被拉長(zhǎng)的原始晶粒仍然存在。當(dāng)溫度上升至1120℃時(shí)，再結(jié)晶過(guò)程完成的較為充分，原始晶粒大部分已經(jīng)被再結(jié)晶的細(xì)晶粒所代替 (圖4c)，只存在數(shù)量極少的未再結(jié)晶晶粒，再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)明顯增大，大部分區(qū)域?yàn)榧?xì)晶組織。當(dāng)溫度上升到1180℃時(shí)，再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)減小，存在較大尺寸的被拉長(zhǎng)的原始晶粒 (圖4e)。表2為不同溫度下試樣中心處的再結(jié)晶晶粒尺寸和再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)。從表可以看出隨溫度的升高，再結(jié)晶晶粒尺寸增大;再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)先增加后減小。這是因?yàn)榫Ы绲钠骄w移率與 e－Qm/RT(Qm為晶界遷移的激活能)成正比［8］，溫度越高，晶界的平均遷移率越大，晶粒的長(zhǎng)大速度越快，再結(jié)晶的晶粒尺寸逐漸增大。晶粒長(zhǎng)大是通過(guò)大角度晶界的遷移來(lái)進(jìn)行的，晶界總是向著曲率中心的方向移動(dòng)，因此晶粒長(zhǎng)大的過(guò)程就是“大吞并小”和凹面變平的過(guò)程。當(dāng)溫度從1120℃升高到1180℃，未再結(jié)晶的大晶粒的晶界的遷移速率比再結(jié)晶晶粒晶界的遷移速率大，造成未再結(jié)晶的大晶粒吞食小晶粒而長(zhǎng)大，再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)下降。

表1 樣點(diǎn)位置與對(duì)應(yīng)的名義應(yīng)變Table 1 Location of sample points and their corresponding nominal strain

圖4 不同溫度下壓縮后試樣中心處的組織Fig.4 Microstructures at centre of compressed samples under different temperatures

表2 試樣中心處的再結(jié)晶晶粒尺寸和再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)Table 2 Recrystallizated grain size and volume fraction at center of samples

2.2 變形程度對(duì)GH738合金微觀組織的影響

圖5為1120℃變形后從試樣縱截面中心沿徑向的微觀組織變化情況 (圖5(a) ～ (h)分別對(duì)應(yīng)于圖3中的 (a) ～ (h)點(diǎn)的微觀組織)。從圖5可以看出，在變形程度較大的(a)、(b)、(c)、(d)處，原始晶粒由于變形被壓扁拉長(zhǎng);在變形程度相對(duì)較小的 (e)、(f)、(g)、 (h)處，原始晶粒基本呈等軸狀，等軸晶粒的平均尺寸在75～110 μm范圍內(nèi)。隨著變形程度的減小，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的體積分?jǐn)?shù)不斷減小，點(diǎn) (a)、(d)、(f)處的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)為分別為91%、40%和10%。隨著變形程度的進(jìn)一步減小，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶不再發(fā)生，例如點(diǎn) (g)、(h)處為晶粒尺寸在60～110 μm范圍內(nèi)的等軸晶粒，幾乎沒有細(xì)小動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的等軸晶粒尺寸較為細(xì)小，其平均晶粒尺寸在10～15 μm范圍內(nèi)，未發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的晶粒的平均尺寸在75～110 μm范圍內(nèi)，二者差異較大。不同溫度下再結(jié)晶晶粒的尺寸與變形程度的關(guān)系如圖6所示。再結(jié)晶晶粒的尺寸隨變形程度的減小，變化較小。以1120℃為例，(a)點(diǎn)的再結(jié)晶晶粒尺寸約8.3 μm，(g)點(diǎn)再結(jié)晶晶粒尺寸為13.8 μm。再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)與變形量的關(guān)系如圖7所示。從圖可以看出，在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，隨變形程度減小，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的體積分?jǐn)?shù)明顯減小;當(dāng)變形程度小于30%時(shí)，幾乎不再發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。從圖6、7可以看出，1120℃溫度下變形得到的再結(jié)晶晶粒尺寸較均勻，再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)最高。因此，可以認(rèn)為GH738合金在1120℃容易發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程，在這溫度下有足夠的 變形程度可以得到比較均勻的再結(jié)晶晶粒。

圖5 1120℃下試樣縱截面不同變形程度下的組織Fig.5 Microstructures of sample longitudinal section under different deformation extent at 1120℃

2.3 GH738合金平均晶粒尺寸與變形條件的關(guān)系

根據(jù)錐形試樣壓縮試驗(yàn)結(jié)果，可得GH738合金的平均晶粒尺寸和變形條件的關(guān)系 (如圖8)。從圖可以看出，該合金要獲得均勻細(xì)小的晶粒組織，其熱加工的溫度范圍為1100～1140℃;最小變形程度為28%。

3 結(jié)論

(1)隨著溫度的升高，GH738合金再結(jié)晶晶粒尺寸逐漸增大;在1120℃下變形，再結(jié)晶過(guò)程進(jìn)行最為充分。

圖8 平均晶粒尺寸與變形條件的關(guān)系Fig.8 Average grain size versus deformation condition

(2)隨變形程度的減小，再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)明顯減小，當(dāng)變形程度小于30%時(shí)幾乎不再發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程。在1120℃溫度變形再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)最高，再結(jié)晶晶粒尺寸較均勻。

(3)對(duì)于GH738合金，在1100～1140℃范圍內(nèi)，變形程度大于28%的條件下，可獲得晶粒大小較均勻的組織。

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