U720Li高溫合金熱變形組織及機(jī)制

陳志遠(yuǎn)

（中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095）

高溫合金是指在600℃上高溫條件下，仍能夠承受高強(qiáng)度復(fù)雜工作環(huán)境，并保持一定表面穩(wěn)定性的合金。高溫合金在不同國(guó)家有著不同的別稱，歐美國(guó)家叫高溫合金為超合金(superalloy)，俄羅斯和烏克蘭等國(guó)家稱高溫合金為熱強(qiáng)合金或熱強(qiáng)鋼[1,2]。

U720Li合金由美國(guó)Special Metals公司開(kāi)發(fā)，是一種新型的、高強(qiáng)度的析出強(qiáng)化型鎳基高溫合金，它在U720合金基礎(chǔ)上大幅度降低C、B和Cr的含量，Cr含量降低減少了σ相的析出，B、C含量降低減少了針狀碳化物和硼化物的析出，從而不易形成疲勞裂紋源[10]。

U720Li合金作為一種高強(qiáng)型高溫合金，在高溫環(huán)境下依舊具有優(yōu)異的溫強(qiáng)度、抗蠕變、抗疲勞、抗氧化和抗腐蝕性能，在國(guó)外航空和地面燃?xì)廨啓C(jī)中得到了廣泛應(yīng)用[3-5]。本文就U720Li合金進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)中使用的材料為U720Li合金鑄錠，經(jīng)機(jī)械加工為Φ8mm×12mm的圓柱體試樣若干。所涉及的實(shí)驗(yàn)儀器為OLYMPUS GX51型倒置式金相顯微鏡，Tecnai G2 20透射電子顯微鏡，這種透射電子顯微鏡的主要用于觀察各種材料的微觀結(jié)構(gòu)，并對(duì)樣品進(jìn)行納米尺度的微區(qū)分析。

制備金相試樣時(shí)切割剩下的另一半試樣，再沿軸向切割取1mm厚的薄片制備透射電鏡試樣，然后用體積比為1:9的HClO4和C2H5OH溶液進(jìn)行電解雙噴處理，電流為40mA～45mA，電壓為50V，溫度為-40℃～-35℃。然后使用Tecnai G2 20透射電子顯微鏡對(duì)顯微組織進(jìn)行觀察和分析。本研究通過(guò)將Φ8mm×12mm圓柱形U720Li合金試樣在變形量60%、變形速度5×10-4s-1、5×10-2s-1、1 s-1、10s-1、變形溫度900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃、1150℃的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2 U720Li合金微觀組織分析

2.1 合金原始組織

圖1是U720Li合金未經(jīng)處理時(shí)的金相照片。從圖中可以看出，U720Li合金的原始組織中，有大量黑白灰的金相和一部分黑色的小顆粒，金相主要是γ+γ′雙相等軸組織，黑色的小顆粒則是碳化物，這些碳化物與γ+γ′雙相之間存在相互作用，合金的性能在這種相互作用下會(huì)受到一定影響。

圖1 U720Li合金原始組織金相照片

2.2 變形溫度的影響

圖2為U720Li合金應(yīng)變速率固定為5×10-2s-1時(shí)，不同變形溫度條件下的金相顯微組織照片。

從圖2中看，從900℃～1050℃，晶粒隨著溫度升高逐漸變大變明顯，從。圖2(a～d)中看，黑色塊狀為γ相，白色為γ′相。隨著變形溫度升高，這些晶粒在變大的同時(shí)，也在沿著同一方向邊長(zhǎng)，這是它們?cè)谥饾u等軸化。

當(dāng)溫度升高到1100℃時(shí)，如圖2(e)所示，晶粒尺寸略有下降，但是它們變得更加均勻，黑色色塊中夾雜著白色亮點(diǎn)。產(chǎn)生這種現(xiàn)象是因?yàn)榛兡艿睦鄯e，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶充分地進(jìn)行。圖中，黑色晶粒較大，周圍多圍繞著白色的小晶粒，黑色晶粒是γ相，白色小晶粒是γ′相，這些晶粒互相制約同碳化物一起，阻礙了再結(jié)晶的生長(zhǎng)，所以這些晶粒總體看起來(lái)都比較小。

圖2 U720Li合金不同溫度下的微觀組織（?=0.05s-1）

溫度為1150℃時(shí)，如圖2(f)所示，呈現(xiàn)出明顯的大晶粒，界限明顯而清楚，只有少量的黑色顆粒在視野中。結(jié)合1150℃的應(yīng)力應(yīng)變曲線，應(yīng)力上升一定值后直接進(jìn)入平穩(wěn)狀態(tài)，這個(gè)時(shí)候動(dòng)態(tài)再結(jié)晶并不明顯，晶粒在高溫狀態(tài)下不斷長(zhǎng)大，變成圖2(f)中情況。

圖3 U720Li合金在應(yīng)變速率為0.05s-1時(shí)不同溫度下的TEM照片

圖3為U720Li合金在0.05s-1應(yīng)變速率下處于不同溫度的TEM照片。U720Li合金在900℃下變形時(shí)，如圖3(a)所示，視野明顯偏暗，這是因?yàn)楹辖鹬写嬖诖罅康奈诲e(cuò)胞。1000℃時(shí)，如圖3(b)所示，出現(xiàn)了再結(jié)晶晶粒，這些再結(jié)晶晶粒比較小，可以明顯地看到周圍的晶界。

這些再結(jié)晶晶粒的成因，是圖3(a)中的位錯(cuò)胞，在位錯(cuò)不斷滑移，相反方向的位錯(cuò)相遇互相抵消時(shí)，相互結(jié)合形成亞晶界。這些亞晶不斷吸收周圍的位錯(cuò)胞，漸變?yōu)榇蠼嵌染Ы纾優(yōu)樵俳Y(jié)晶晶粒，完成動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。

1100℃條件下，如圖3(c)所示，可以看到一個(gè)晶粒周圍布滿了小亮點(diǎn)，這些小亮點(diǎn)是由較為粗大的γ相轉(zhuǎn)變成的γ′相，γ′相均勻的分布在晶粒周圍，阻止了晶粒的長(zhǎng)大，這就是即使變形溫度高達(dá)1100℃，晶粒依舊不是很大的原因。

當(dāng)溫度升高到1150℃時(shí)，如圖3(d)所示，巨大的晶粒無(wú)法在視野中看到它的全貌。此時(shí)γ′相回溶形成了γ′′相，失去了γ′相的抑制，晶粒長(zhǎng)大。但此時(shí)晶粒過(guò)于巨大，滑移系數(shù)量大幅下降，此時(shí)該合金成形性能較差。

2.3 應(yīng)變速率的影響

圖4是U720Li合金在變形溫度固定為1050℃，應(yīng)變速率為5×10-4s-1～10 s-1時(shí)的金相顯微組織照片。

圖4 U720Li合金在變形溫度為1050℃時(shí)不同應(yīng)變速率下的金相組織

圖5 U720Li合金在1050℃變形溫度下不同應(yīng)變速率下的TEM組織

應(yīng)變速率影響動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的主要途徑是因?yàn)樽冃瘟渴枪潭ǖ模冃螘r(shí)間會(huì)隨著應(yīng)變速率的變化而變化并與之成反比。從圖4整體上看，U720Li合金的變形中，應(yīng)變速率從5×10-4s-1提升至5×10-2s-1時(shí)，晶粒變小，應(yīng)變速率提升至1s-1后，晶粒又變大。如圖4(a),應(yīng)變速率較小時(shí)，晶粒尺寸較大，這是因?yàn)橥瓿勺冃嗡钑r(shí)間較長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶生成的晶粒可以生長(zhǎng)的足夠大。從圖4(b)中可看出，晶粒尺寸較圖4(a)明顯變小，并且有一部分沿同一方向延伸的等軸晶。這是因?yàn)閼?yīng)變速率增大，變形時(shí)間減少，晶粒尺寸隨之減小。如圖4(c,d)，晶粒尺寸變大，而且有較多的等軸晶。當(dāng)應(yīng)變速率大于1s-1時(shí)，應(yīng)變速率較大，變形時(shí)間較短，不足以支持大量晶粒發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，所以變形后的組織中出現(xiàn)一部分等軸晶粒，晶粒尺寸變大。

圖5為U720Li合金變形溫度為1050℃，在5×10-4s-1～10s-1應(yīng)變速率下變形的TEM微觀組織照片。

如圖5(a)所示，當(dāng)應(yīng)變速率為5×10-4s-1時(shí)，能有較大的再結(jié)晶晶粒與亞晶。由于應(yīng)變速率較慢，合金有足夠的時(shí)間生成位錯(cuò)胞，完成動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。如圖5(b)所示，當(dāng)應(yīng)變速率為5×10-2s-1時(shí)，較小的亞晶數(shù)量較多，而幾乎沒(méi)有出現(xiàn)再結(jié)晶晶粒。這是因?yàn)閼?yīng)變速率的提升，留給合金完成動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的時(shí)間不多，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶沒(méi)有徹底完成。在低應(yīng)變速率時(shí)，U720Li合金主要通過(guò)亞晶的合并進(jìn)行動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。當(dāng)應(yīng)變速率大于1s-1時(shí)，如圖5(c,d)所示，視野中只能看到大量的位錯(cuò)胞，沒(méi)有再結(jié)晶晶粒或者亞晶。由于變形時(shí)間較短，只能形成位錯(cuò)胞，而這些時(shí)間并不足以支持這些大量的位錯(cuò)胞發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。

3 結(jié)語(yǔ)

①碳化物與γ+γ′雙相之間存在相互作用，U720Li高溫合金的性能在這種相互作用下會(huì)受到一定影響。②變形初期，加工硬化占主導(dǎo)地位，隨變形量增加，加工硬化失去主導(dǎo)地位，真應(yīng)力值下降，而后硬化軟化的作用均下降且影響力相近。③1000℃時(shí)亞晶不斷吸收周圍的位錯(cuò)胞，漸變?yōu)榇蠼嵌染Ы纾優(yōu)樵俳Y(jié)晶晶粒，完成動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。1100℃條件下，較為粗大的γ相轉(zhuǎn)變成的γ′相，γ′相均勻的分布在晶粒周圍，阻止了晶粒的長(zhǎng)大。當(dāng)溫度升高到1150℃時(shí)γ′相回溶形成了γ′′相，失去了γ′相的抑制，晶粒長(zhǎng)大，滑移系數(shù)量大幅下降，因此U720Li高溫合金成形性能差。