固溶處理對GH984G合金冷軋無縫管組織及硬度的影響

高 佩,程曉農

(1.江蘇銀環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， 鎮江 212013)

0 引 言

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。

1 試樣制備與試驗方法

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。

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

由圖1可知：冷軋態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。

2.2 硬 度

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)

3 結 論

(1) 冷軋態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，沿軋向呈不連續分布；不同條件固溶處理后，GH984G合金發生動態再結晶，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小；硬度隨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。