GH738合金在不同變形條件下的再結晶過程

王建國，劉 東，張 睿，楊艷慧，鄭 勇

(西北工業大學材料學院，陜西 西安 710072)

0 前言

GH738合金 (國外牌號Waspaloy)是以γ＇相沉淀強化的鎳基高溫合金，具有良好的耐燃氣腐蝕能力，較高的屈服強度和疲勞性能，工藝性能良好，組織穩定，可在815℃以下使用，廣泛用于制造航空發動機轉動部件。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結構的 γ相為基體，點陣常數約為0.352～0.360 nm。同為 FCC結構的 γ＇相的含量約為22%，是GH738合金的主要強化相，點陣常數為 0.356 ～0.361 nm［1-3］。

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

1 實驗材料與方法

實驗材料為GH738高溫合金，其化學成分為 (質量分數/%):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，經機加工后獲得的錐形試樣尺寸如圖1所示。通過壓縮錐形試樣研究了GH738合金在變形溫度在1060～1180℃范圍內，變形程度25% ～82%范圍內的微觀組織演化行為。模具材料為K403鑄造高溫合金，模具預熱溫度950℃。實驗在3150 kN液壓機上進行，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，經研磨、拋光、腐蝕后用光學顯微鏡進行顯微組織分析。假定變形過程只改變晶粒形狀，變形晶粒的體積變化主要由再結晶過程控制。因此，可以認為尺寸為一定大小的晶粒為再結晶晶粒，剩余的拉長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

假設試樣初始高度為l0，變形后的高度為l，將等效應變視為真應變，變形后的等效應變與名義應變可以通過以下公式進行換算:

從式 (1)和式 (2)可得:

應用DEFORM軟件對錐形試樣壓縮過程進行數值模擬，壓縮后試樣縱截面上等效應變分布情況如圖2所示，從縱截面中心開始，沿徑向依次取8個樣點 (圖3)，由這8個點的等效應變，根據公式 (4)計算出各點的名義應變，見表1。

2 實驗結果

2.1 溫度對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處的微觀組織 (圖3中的a點)。從圖可以看出，動態再結晶形成的細晶組織和未發生動態再結晶的原始組織明顯不同。在1060℃時，動態再結晶形成的細晶粒主要分布在原始晶粒的邊界上 (圖4a)，一定數量被拉長的原始晶粒仍然存在。當溫度上升至1120℃時，再結晶過程完成的較為充分，原始晶粒大部分已經被再結晶的細晶粒所代替 (圖4c)，只存在數量極少的未再結晶晶粒，再結晶體積分數明顯增大，大部分區域為細晶組織。當溫度上升到1180℃時，再結晶體積分數減小，存在較大尺寸的被拉長的原始晶粒 (圖4e)。表2為不同溫度下試樣中心處的再結晶晶粒尺寸和再結晶體積分數。從表可以看出隨溫度的升高，再結晶晶粒尺寸增大;再結晶體積分數先增加后減小。這是因為晶界的平均遷移率與 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，晶粒的長大速度越快，再結晶的晶粒尺寸逐漸增大。晶粒長大是通過大角度晶界的遷移來進行的，晶界總是向著曲率中心的方向移動，因此晶粒長大的過程就是“大吞并小”和凹面變平的過程。當溫度從1120℃升高到1180℃，未再結晶的大晶粒的晶界的遷移速率比再結晶晶粒晶界的遷移速率大，造成未再結晶的大晶粒吞食小晶粒而長大，再結晶體積分數下降。

表1 樣點位置與對應的名義應變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 試樣中心處的再結晶晶粒尺寸和再結晶體積分數Table 2 Recrystallizated grain size and volume fraction at center of samples

2.2 變形程度對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)分別對應于圖3中的 (a) ～ (h)點的微觀組織)。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;在變形程度相對較小的 (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。隨著變形程度的減小，動態再結晶的體積分數不斷減小，點 (a)、(d)、(f)處的動態再結晶體積分數為分別為91%、40%和10%。隨著變形程度的進一步減小，動態再結晶不再發生，例如點 (g)、(h)處為晶粒尺寸在60～110 μm范圍內的等軸晶粒，幾乎沒有細小動態再結晶晶粒。動態再結晶的等軸晶粒尺寸較為細小，其平均晶粒尺寸在10～15 μm范圍內，未發生動態再結晶的晶粒的平均尺寸在75～110 μm范圍內，二者差異較大。不同溫度下再結晶晶粒的尺寸與變形程度的關系如圖6所示。再結晶晶粒的尺寸隨變形程度的減小，變化較小。以1120℃為例，(a)點的再結晶晶粒尺寸約8.3 μm，(g)點再結晶晶粒尺寸為13.8 μm。再結晶體積分數與變形量的關系如圖7所示。從圖可以看出，在試驗溫度范圍內，隨變形程度減小，動態再結晶的體積分數明顯減小;當變形程度小于30%時，幾乎不再發生動態再結晶。從圖6、7可以看出，1120℃溫度下變形得到的再結晶晶粒尺寸較均勻，再結晶體積分數最高。因此，可以認為GH738合金在1120℃容易發生動態再結晶過程，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系

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

3 結論

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

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

(2)隨變形程度的減小，再結晶體積分數明顯減小，當變形程度小于30%時幾乎不再發生動態再結晶過程。在1120℃溫度變形再結晶體積分數最高，再結晶晶粒尺寸較均勻。

(3)對于GH738合金，在1100～1140℃范圍內，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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