高 佩,程曉農
(1.江蘇銀環(huán)精密鋼管有限公司技術管理部,宜興 214203; 2.江蘇大學材料科學與工程學院, 鎮(zhèn)江 212013)
GH984合金是一種鐵鎳基固溶強化及沉淀強化型高溫合金,因具有良好的耐高溫持久性能、耐腐蝕性能、抗氧化性能、冷熱加工性能及焊接性能而廣泛應用于艦船鍋爐過熱器,并成為700 ℃先進超超臨界鍋爐用過熱器和再熱器管的候選材料[1-7]。通過調控成分可提高GH984合金的性能,如增加鋁和鉻含量、降低鐵含量、添加微量硼可提高其熱穩(wěn)定性和持久性,增加鉻含量還可提高其耐腐蝕性能及抗氧化性能。因此,研究人員通過成分調控研制出了GH984G改進型合金[8-10]。目前,國內對GH984合金的研究主要集中在焊接工藝、組織及力學性能、抗氧化及耐腐蝕性能等方面[5-15],對GH984G合金的研究主要集中在耐腐蝕性能、時效對組織及性能的影響等方面[16-18],有關固溶溫度及保溫時間對GH984G合金組織及硬度的影響研究鮮有報道。
為此,作者對GH984G合金冷軋無縫管進行固溶熱處理,研究了固溶溫度及保溫時間對合金組織及維氏硬度的影響,為該合金的實際熱處理提供理論指導。
試驗材料為寶鋼特鋼有限公司提供的GH984G合金無縫管。該合金無縫管采用規(guī)格為φ135 mm×16 mm的熱擠壓管坯,經過3個道次冷軋成型,成品規(guī)格為φ44.5 mm×10 mm,實測化學成分如表1所示。
表1 GH984G合金管的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of GH984G alloy tube (mass) %
在GH984G合金無縫管上沿軋向取樣,在SX2-22-13型箱式電阻爐中進行固溶處理,固溶溫度分別為1 050,1 100,1 150,1 200 ℃,保溫時間分別為10,20,30,60,90 min,水冷。
在冷軋態(tài)和不同條件固溶處理后的GH984G合金試樣上沿軋向取樣,經磨拋,在質量分數為10%的草酸溶液中電解腐蝕后,在ZEISS Axiovert 40MAT型光學顯微鏡(OM)和ZEISS EVO18型掃描電鏡(SEM)下觀察縱截面顯微組織,利用SEM附帶的能譜儀(EDS)進行第二相成分分析;在100倍放大倍率下隨機選取5個不同視場,按照GB/T 6394-2017中的截點法測量平均晶粒尺寸,取5個不同視場的平均值。根據GB/T 4340.1-2009,在570HAD型數顯布洛維硬度計上進行維氏硬度測試,試驗載荷為294.2 N,保載時間為15 s。
由圖1可知:冷軋態(tài)合金組織中的晶粒沿軋向拉長,部分晶粒出現滑移線,在晶界及晶內均存在沿軋制方向呈不連續(xù)分布的第二相顆粒,第二相顆粒為主要含鈮、鈦的碳化物。
圖1 冷軋態(tài)GH984G合金的縱截面組織及第二相的EDS譜Fig.1 Longitudinal section microstructure (a-b) and EDS spectrum of the second phase (c) of cold rolled GH984G alloy: (a) OM morphology and (b) SEM morphology
由圖2可以看出:經過不同條件固溶處理后,GH984G合金均發(fā)生了回復和再結晶,滑移線消失,組織基本為等軸晶;在溫度1 050 ℃下,隨著保溫時間的延長,第二相顆粒的尺寸及數量未見明顯變化;當溫度升高到1 100 ℃時,隨著保溫時間的延長,第二相逐漸溶解,數量減少;當溫度超過1 100 ℃時,第二相數量進一步減少。
由圖3可以看出:隨著固溶溫度的升高和保溫時間的延長,晶粒尺寸逐漸增大。在不同保溫時間下,晶粒尺寸隨固溶溫度的變化趨勢相近,均在1 050~1 100 ℃范圍內緩慢增大,當溫度超過1 100 ℃時快速增大。溫度較低時,第二相的溶解量較少,釘扎作用顯著,因此晶粒長大速度緩慢;溫度超過1 100 ℃時,第二相溶解速度加快,釘扎作用顯著減小,因此晶粒長大速度加快。
圖3 固溶溫度和時間對GH984G合金平均晶粒尺寸的影響Fig.3 Effects of solid solution temperature and time on average grain size of GH984G alloy
晶粒界面能隨固溶溫度的升高而降低。界面能越低,晶界越容易遷移,大尺寸晶粒傾向于長大而小尺寸晶粒傾向于被吞噬直至消失。晶界的遷移必須通過原子克服位壘躍遷完成,該過程是一個熱激活過程。大角度晶界遷移率與溫度之間通常服從Arrehenius關系[19-20],即:
M=M0exp[-Q/(RT)]
(1)
式中:M為遷移率;M0為常數;Q為晶界遷移的表觀激活能,J·mol-1;R為理想氣體常數,8.314 J·mol-1·K-1;T為溫度,K。
晶界遷移速度與晶界遷移率存在如下關系:
v=dD/dt=Mp
(2)
式中:v為晶界遷移速度;D為平均晶粒尺寸;t為保溫時間;p為驅動力。
假設晶粒為球狀,則
p=γb/D
(3)
式中:γb為界面能。
將式(3)代入式(2),并進行積分,假定D遠大于起始尺寸,可得:
D2=γbMt
(4)
將式(1)代入式(4)并取對數,可得:
(5)
式中:A為包含晶界擴散和保溫時間因子在內的參數。
用式(5)對圖3中的數據進行線性回歸分析,得到不同保溫時間下晶粒尺寸與固溶溫度之間的關系,如下:
lnD10 min=0.5lnA-1.923×104/T
(6)
lnD20 min=0.5lnA-1.998×104/T
(7)
lnD30 min=0.5lnA-2.022×104/T
(8)
lnD60 min=0.5lnA-2.138×104/T
(9)
lnD90 min=0.5lnA-2.238×104/T
(10)
則GH984G合金在保溫10,20,30,60,90 min的晶界遷移表觀激活能分別為319.76,332.23,336.22,355.51,372.13 kJ·mol-1,均比純鎳的自擴散激活能(約284 kJ·mol-1)[21]大。這主要是由于GH984G合金中含有一些合金化元素,如鉻、鉬、鈮、鈦等,在組織中形成了第二相顆粒;第二相顆粒對晶界移動有釘扎作用,會增大晶界遷移阻力,從而提高晶粒長大激活能。
GH984G合金的平均晶粒尺寸與保溫時間符合貝克公式[19],即:
D=Ctη
(11)
式中:C為系統常數;η為動力學時間指數。C和η均與材料和溫度有關。
用式(11)對圖3中的數據進行回歸分析,得到不同溫度下晶粒尺寸與保溫時間的關系,如下:
D1 050 ℃=18.96t0.10
(12)
D1 100 ℃=16.44t0.19
(13)
D1 150 ℃=30.80t0.26
(14)
D1 200 ℃=59.89t0.20
(15)
由式(12)到式(15)可知,隨溫度升高,η先增大后減小。在較低溫度(1 050 ℃)固溶時,合金中有少量的第二相,這些第二相能夠釘扎晶界,阻礙晶界移動,抑制晶粒長大,因此晶粒長大緩慢,表現為η較低;隨溫度的升高,第二相逐漸溶解,釘扎作用減小,晶界移動速度加快,晶粒長大速度加快,表現為η增大;當溫度升到1 200 ℃時,晶界遷移速率隨熱激活過程的加劇而加快,但此時第二相顆粒也開始長大,第二相顆粒的長大對晶粒的長大有一定的阻礙作用,因此晶粒長大速度減慢,表現為η減小。
由圖4可知,在不同保溫時間下,隨固溶溫度的升高,合金的硬度降低,且降低速度隨溫度的升高呈先增大后減小的趨勢。金屬材料屈服強度和晶粒大小的關系可用Hall-Petch公式[22]描述,其表達式為
圖4 不同保溫時間下GH984G合金的硬度與固溶溫度的關系曲線Fig.4 Curves of hardness vs solid solution temperature of GH984G alloy for different holding times
σy=σ0+kyd-1/2
(16)
式中:σy為屈服強度;d為晶粒尺寸;σ0為內阻力或晶格摩擦力;ky為與晶格類型、彈性模量、位錯分布及位錯被釘扎程度有關的常數。
用式(16)對不同熱處理條件下的硬度和晶粒尺寸進行擬合,如圖5所示,得到GH984G合金的硬度HV與d-1/2滿足Hall-Petch關系,即:
圖5 不同熱處理條件下GH984G合金的硬度與平均晶粒尺寸的關系Fig.5 Between hardness and average grain size of GH984G alloy under different heat treatment conditions
HV=131.33+264.62d-1/2
(17)
(1) 冷軋態(tài)GH984G合金晶粒沿軋向拉長,晶界及晶內的第二相顆粒為主要含鈮、鈦的碳化物,沿軋向呈不連續(xù)分布;不同條件固溶處理后,GH984G合金發(fā)生動態(tài)再結晶,形成等軸晶組織;在較低溫度(1 050 ℃)下固溶處理后,隨保溫時間延長,第二相尺寸及數量未見明顯變化,在溫度1 100~1 200 ℃固溶后,第二相數量隨溫度的升高和保溫時間的延長逐漸減少。
(2) 隨著固溶溫度的升高和保溫時間的延長,GH984G合金的晶粒尺寸增大;在較低的固溶溫度下,晶粒尺寸隨時間延長的增大速度較小,當固溶溫度升至1 100 ℃以上時,增大速度加快。
(3) GH984G合金的晶界遷移表觀激活能隨保溫時間的延長而增大,動力學時間指數隨固溶溫度的升高先增大后減?。挥捕入S固溶溫度的升高和保溫時間的延長而降低,與平均晶粒尺寸符合Hall-Petch關系。