晶界工程處理對(duì)GH738合金耐蝕性的影響①

彭大朋， 王　玨， 蔡旋坤， 劉　琦

(南京工程學(xué)院材料工程學(xué)院，江蘇 南京　211167)

引　言

GH738合金是一種γ′相沉淀強(qiáng)化型鎳基高溫合金，是制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)、工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)渦輪盤、葉片和燃燒室等關(guān)鍵高溫部件的重要材料[1]。由于渦輪盤和渦輪葉片等部件的服役環(huán)境十分惡劣，服役過(guò)程中易發(fā)生氧化、腐蝕而導(dǎo)致零件失效，因此材料耐蝕性的研究和改進(jìn)是GH738 合金目前的熱門研究方向之一[2]。晶界工程是通過(guò)對(duì)金屬進(jìn)行適當(dāng)?shù)睦渥冃?，隨后實(shí)施相應(yīng)的熱處理工藝，以提高金屬內(nèi)部特殊晶界(低ΣCLS 晶界)的比例，優(yōu)化其在材料內(nèi)部的分布，進(jìn)而達(dá)到改善材料相關(guān)性能的目的。目前，已有國(guó)內(nèi)學(xué)者研究了晶界工程處理對(duì)鎳基高溫合金(GH690合金)耐蝕性的影響[3]。

1　試驗(yàn)過(guò)程

1.1　試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)原材料是直徑Φ62 mm的GH738合金圓棒，初始晶粒尺寸約為80 μm。其化學(xué)成分如表1所示。

表1　試驗(yàn)用材料 GH738 合金的化學(xué)成分/%

1.2　試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)通過(guò)改變冷變形量和退火保溫時(shí)間來(lái)控制退火孿晶的比例及再結(jié)晶晶粒尺寸。

試樣經(jīng)1080 ℃保溫60 min固溶處理后析出相γ＇相已全部回溶。利用線切割方法在圓棒中心位置切取尺寸為Φ10 mm×15 mm的圓柱。采用 CMT5105 微機(jī)控制電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行冷壓縮，工程應(yīng)變?yōu)?5%，8%和 12%，下壓速率為 0.5 mm/min。具體晶界工程工藝參數(shù)控制如表2所示。退火使用碳硅棒高溫電爐，保溫溫度設(shè)定為 1100 ℃，退火保溫時(shí)間為 5，10，20 和 40 min。保溫結(jié)束后試樣空冷至室溫。

表 2　試樣壓縮制度

用于金相觀察的試樣采用標(biāo)準(zhǔn)金相制備工藝，經(jīng)機(jī)械拋光后的試樣放入腐蝕液(360 mL H2O + 40 mL H2SO4+ 10 g KMnO4)中加熱至 100 ℃并煮沸約35 min，按照GB/T 6394-2002采用截線法測(cè)定晶粒尺寸。利用背散射電子衍射技術(shù)(EBSD)分析試樣的晶界取向，用于EBSD測(cè)試的試樣采用電解拋光方式，拋光液為80%甲醇+20%硫酸，電壓30 V，時(shí)間約30 s。使用電化學(xué)工作站測(cè)試各試樣的極化曲線，設(shè)備示意圖如圖1所示。起始電位為-0.6 V，終止電位為 1.4 V，掃描速率為 0.01 V/s。

圖1　極化曲線測(cè)試裝置示意圖1.輔助電極鉑片；2.參比電極；3.工作電極GH738合金試樣

2　試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1　晶界工程處理對(duì)GH738合金微觀組織的影響

如圖2(a)～(c)所示為不同變形量的試樣經(jīng)退火保溫時(shí)間10 min后的顯微組織，可以看出，隨著變形量的增大，退火晶粒尺寸在不斷增大；變形量為5%時(shí)，退火后組織大部分為細(xì)小均勻的再結(jié)晶晶粒，有少部分晶粒已經(jīng)開始長(zhǎng)大，8%工程應(yīng)變下退火晶粒有明顯的長(zhǎng)大，且長(zhǎng)大晶粒的比例明顯增多，當(dāng)變形量增加到 12%時(shí)，組織中僅存在少部分未長(zhǎng)大的晶粒，總體來(lái)說(shuō)晶粒尺寸不均勻，三種條件下的平均晶粒尺寸分別為51，76.5，113.5 μm。

圖2　相同退火時(shí)間、不同變形量下試樣的顯微組織

隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，變形量對(duì)晶粒尺寸的影響規(guī)律保持不變，但晶粒尺寸的差距逐漸縮小，如圖2(d)～(f)所示為不同工程應(yīng)變下保溫時(shí)間為40 min的顯微組織，可以看出，經(jīng)5%壓縮的試樣，退火時(shí)間延長(zhǎng)后晶粒明顯增大，保溫40 min后達(dá)到82.5 μm，而變形量為12%的試樣晶粒尺寸基本未變。

如圖3所示為變形量為 5%、不同退火保溫時(shí)間下的顯微組織，采用截線法對(duì)晶粒尺寸進(jìn)行定量測(cè)量可得，保溫5，10，20，40 min的平均晶粒尺寸分別為75.5，51，69.5，82.5 μm。進(jìn)一步觀察可知，保溫10 min時(shí)，大部分晶界處于彎曲狀態(tài)，晶粒的形狀不規(guī)則(如圖3(b)所示)，而當(dāng)保溫時(shí)間延長(zhǎng)至40 min時(shí)，晶界大都呈平直狀態(tài)，晶?；旧铣柿呅?如圖3(d)所示)。由此可以推斷，由于變形量較小，材料積累的儲(chǔ)存能較低，保溫5 min時(shí)再結(jié)晶的比例較小，保溫10 min時(shí)再結(jié)晶開始大規(guī)模發(fā)生，因此晶粒比保溫5 min時(shí)更細(xì)小。這一點(diǎn)也可以從變形量為5%,8%和12%的試樣保溫5 min后的晶粒尺寸證明，三種條件下的晶粒尺寸分別為75.5，72，91 μm，即先減小后增大，表明變形量為5%的試樣在1100 ℃下保溫5 min時(shí)的再結(jié)晶比例較小。再結(jié)晶發(fā)生以后，隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，在界面能的驅(qū)動(dòng)下由彎曲變得平直，再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大[4]。

圖3　變形量為 5%、不同退火保溫時(shí)間下試樣的顯微組織

2.2　晶界工程處理對(duì)晶界取向的影響

如圖4所示為GH738合金不同變形、退火條件下的晶界取向圖。圖4(d)為4(c)中黑色方框區(qū)域的放大圖，能夠看到大角度晶界、孿晶界和其他低 ΣCSL 晶界。5%變形量保溫5 min時(shí)，孿晶主要存在于晶粒內(nèi)部(如圖4(a)所示)，結(jié)合晶粒尺寸分析可知，再結(jié)晶未大規(guī)模發(fā)生時(shí)，變形晶粒內(nèi)部保留了固溶處理形成的退火孿晶。從變形量8% 、保溫40 min 的組織看出，較多小晶粒之間的界面也符合孿晶關(guān)系，孿晶所占比例有所提高，即再結(jié)晶過(guò)程會(huì)形成大量孿晶。從孿晶形態(tài)來(lái)看，一部分孿晶穿過(guò)了整個(gè)晶粒形成穿晶型孿晶，另外一部分孿晶終止于晶粒的內(nèi)部形成中止型孿晶[5]，材料經(jīng)再結(jié)晶退火后還出現(xiàn)了由低ΣCSL界面構(gòu)成的孿晶鏈。孿晶鏈的出現(xiàn)會(huì)破壞大角度晶界的連通性，從而改善了材料的耐蝕性[6]。

圖4　GH738合金孿晶晶界分布圖

2.3　晶界工程處理對(duì)GH738合金耐蝕性的影響

2.3.1極化曲線的分析方法

如圖5所示為本次試驗(yàn)所測(cè)得的典型極化曲線，試驗(yàn)變形條件為：退火保溫時(shí)間10 min、工程應(yīng)變 5%，主要對(duì)合金的陽(yáng)極極化曲線進(jìn)行分析。圖中 A 點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流值為該試驗(yàn)條件下合金的致鈍電流，A 點(diǎn)之后的曲線表示在通電的狀態(tài)下試樣表面開始腐蝕；隨著電位的增大，電流不斷增大，材料被腐蝕的速率在逐漸地增大。A 點(diǎn)后電流隨電位的增大而降低，表明試樣表面的腐蝕速率減??；A,B 之間是試樣發(fā)生極化的活化區(qū)域，氧化膜不斷地生長(zhǎng)、破裂、自修復(fù)；在 BC 階段，試樣表面生成了均勻致密、具有一定厚度的氧化膜，此時(shí)材料進(jìn)入穩(wěn)定鈍化狀態(tài)，材料具有非常優(yōu)異的耐蝕性，此時(shí)的電流值即為維鈍電流。一般維鈍電流越小，表明材料的耐蝕性越佳；當(dāng)電位增加到 C 點(diǎn)時(shí)，氧化膜的承受力達(dá)到極限，過(guò)高的電位使氧化膜發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的破壞，保護(hù)層被擊穿，電流迅速增加，材料腐蝕加劇。A,C 兩點(diǎn)之間對(duì)應(yīng)的電位差為材料的鈍化區(qū)間，一般鈍化區(qū)間越寬，材料耐蝕性越好?？梢酝ㄟ^(guò)維鈍電流、致鈍電流、鈍化區(qū)間、自腐蝕電流和自腐蝕電位等參數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)材料的性能[7]。

圖5　退火保溫時(shí)間10 min，變形量5%條件下GH738合金極化曲線

2.3.2晶粒尺寸對(duì)合金耐蝕性的影響

由于晶界是易腐蝕區(qū)域，晶粒尺寸增大即減小了晶界面積，會(huì)使材料的耐蝕性得到改善。如圖6所示為工程應(yīng)變 5%、不同保溫時(shí)間下的極化曲線。不同退火時(shí)間下的極化曲線上均出現(xiàn)了明顯的活化區(qū)、二次鈍化和穩(wěn)定鈍化區(qū)。隨著時(shí)間的增加，致鈍電流和維鈍電流不斷下降，鈍化區(qū)間和自腐蝕電位差別不明顯但自腐蝕電流不斷減小，即存在耐蝕性增強(qiáng)的趨勢(shì)。從組織分析(如圖3所示)可知，在相同變形量下晶粒尺寸隨著再結(jié)晶保溫時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，且在再結(jié)晶過(guò)程中合金內(nèi)部形成了大量的孿晶，破壞了大角度晶界的連通性[6]；二者共同作用使材料的耐蝕性提高。

圖6　工程應(yīng)變5%，不同保溫時(shí)間下的極化曲線

晶粒尺寸對(duì)耐蝕性的影響也可以從不同變形量的樣品經(jīng)過(guò)相同保溫時(shí)間后的極化曲線數(shù)據(jù)得出。如圖7所示為退火時(shí)間10 min，不同變形量下的極化曲線，致鈍電流、維鈍電流、自腐蝕電流和鈍化區(qū)間均隨工程應(yīng)變的增大而減小，自腐蝕電位隨著變形量的增大而增大，變形量為12%時(shí)，合金在此條件下的耐蝕性最佳。如圖8所示為退火時(shí)間20 min，不同變形量條件下的極化曲線，兩種變形量下電位和電流的變化較小，其中變形量5%退火保溫20 min時(shí)腐蝕性更優(yōu)。說(shuō)明耐蝕性隨變形量的增加而小幅提高。

圖7　退火時(shí)間10 min，不同變形量下的極化曲線

圖8　退火時(shí)間20 min，不同變形量條件下的極化曲線

退火40 min，不同變形量下的極化曲線如圖9所示，圖中腐蝕電位和電流的變化反映出合金的耐蝕性隨變形量的增大有不同程度的提高。A 曲線上出現(xiàn)了明顯的活化區(qū)和穩(wěn)定的鈍化區(qū)間，且活化區(qū)間曲線有多次波動(dòng)，B 曲線上未出現(xiàn)明顯的致鈍電流和較大的鈍化區(qū)間，表明 B 曲線對(duì)應(yīng)的試樣在腐蝕壞境中形成的鈍化膜質(zhì)量更高，且鈍化膜形成的過(guò)程更穩(wěn)定?？傮w來(lái)說(shuō)，合金的耐蝕性隨著晶粒尺寸的增大而增強(qiáng)。

圖9　退火時(shí)間40 min，不同變形量條件下的極化曲線

2.3.3退火孿晶對(duì)耐蝕性的影響

在再結(jié)晶過(guò)程剛完成的階段，晶粒尺寸細(xì)化，但孿晶數(shù)量大幅增加，此時(shí)二者對(duì)耐蝕性的影響正好相反。如圖10，11所示，工藝參數(shù)為變形8%、保溫5 min的試樣分別與12%/5 min和8%/10 min相比，前者晶粒尺寸比較小，而耐蝕性反而較高，這與傳統(tǒng)的粗晶提高耐蝕性的規(guī)律相反。由組織分析可知，此時(shí)為再結(jié)晶剛完成，孿晶數(shù)量較多，孿晶對(duì)耐蝕性的有益影響抵消了晶粒細(xì)化帶來(lái)的不利影響；此時(shí)再結(jié)晶晶粒內(nèi)部的孿晶對(duì)材料的耐蝕性起到了核心作用。孿晶的主要作用包括：1)大量晶粒之間的界面為孿晶，孿晶界能量低于普通大角度晶界[8]，隨著孿晶在晶界處增加使晶界的能量降低，趨于穩(wěn)定化，因此孿晶有利于材料的耐蝕性。2)晶粒內(nèi)部的孿晶切割作用，阻斷大角度晶界作為腐蝕快速通道的作用。

圖10　退火時(shí)間5 min，不同工程應(yīng)變下的極化曲線

圖11　工程應(yīng)變8%，不同保溫時(shí)間下的極化曲線

隨著晶粒的不斷增大，耐蝕性會(huì)先下降后上升，主要是由于晶粒長(zhǎng)大導(dǎo)致晶界數(shù)量降低，同時(shí)部分孿晶界轉(zhuǎn)變?yōu)槠胀ù蠼嵌染Ы鏪9]，失去了阻斷晶界通道的作用，形成兩個(gè)相反作用的疊加效果。而隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，晶粒粗化作用越明顯，而大量孿晶界失去了孿晶性，變成以晶粒尺寸為主導(dǎo)的腐蝕特點(diǎn)[10]。

3　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)GH738合金進(jìn)行晶界工程處理，研究晶粒尺寸和退火孿晶對(duì)GH738合金耐蝕性的影響；采用極化曲線表征合金的耐蝕性。結(jié)果表明：

(1)GH738合金經(jīng)冷壓縮和退火處理后，晶粒尺寸隨著工程應(yīng)變和保溫時(shí)間的增大而增大，當(dāng)工程應(yīng)變?yōu)?% 時(shí)，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)晶粒尺寸是先減小后增大，此時(shí)平均晶粒尺寸減小的原因?yàn)樵俳Y(jié)晶剛結(jié)束時(shí)的晶粒細(xì)化。

(2)在再結(jié)晶剛完成時(shí)，大量退火孿晶的形成提高了GH738合金的耐蝕性，抵消了晶粒細(xì)化帶來(lái)的不利影響。隨著退火保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，晶粒尺寸對(duì)GH738合金的耐蝕性的影響逐漸增大，晶粒尺寸越大，材料的耐蝕性越強(qiáng)。

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