應(yīng)力對單晶高溫合金再結(jié)晶的影響

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(1. 上海大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室， 上海 200444； 2. 中國聯(lián)合重型燃氣輪機技術(shù)有限公司， 北京 100061)

鎳基單晶高溫合金由于其優(yōu)異的力學(xué)性能(蠕變和疲勞)、抗氧化性和耐腐蝕性而被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機和陸基渦輪葉片[1]。眾所周知，在凝固、噴丸處理和打磨翼型等過程中可能會在單晶高溫合金表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力，并在隨后的熱處理或服役過程中產(chǎn)生再結(jié)晶[2-5]。由于單晶高溫合金中去除了晶界強化元素，再結(jié)晶重新引入的大角度晶界對合金的性能會造成不利影響[6-9]。因此，對單晶高溫合金的再結(jié)晶行為進行研究十分必要。

迄今為止，單晶高溫合金再結(jié)晶的研究取得了極大進展。例如，Li等[10]通過對IC6SX單晶高溫合金的再結(jié)晶研究表明，對合金表面施加不同的應(yīng)力其產(chǎn)生再結(jié)晶的溫度也不同。Cox等[11]研究退火時間和溫度對CMSX-4合金再結(jié)晶的影響，發(fā)現(xiàn)在低于γ′相的固溶溫度下發(fā)生再結(jié)晶的臨界應(yīng)變?yōu)?%～2%。Li等[12]研究了在CMSX-4合金中產(chǎn)生再結(jié)晶的臨界塑性應(yīng)變，在高于5%的塑性應(yīng)變時會發(fā)生再結(jié)晶，而在低于5%的塑性應(yīng)變時不會產(chǎn)生再結(jié)晶。但是以上研究焦點主要集中在應(yīng)變對再結(jié)晶的敏感性上，而對于核心問題：再結(jié)晶如何形核以及應(yīng)力所起的作用一直都未得到清晰的闡明。

因此，本文選用經(jīng)過熱處理的單晶高溫合金為研究對象，通過在樣品表面局部施加不同的應(yīng)力，探索單晶再結(jié)晶的形成規(guī)律，并研究再結(jié)晶過程中的組織演變，通過理論計算半定量的分析討論應(yīng)力在再結(jié)晶形成過程中的作用機制。

圖1 不同溫度和應(yīng)力條件下試驗合金中再結(jié)晶的形成情況Fig.1 Formation of recrystallization of the tested alloy under different temperature and stress conditions(a) 1200 ℃,25 MPa; (b) 1200 ℃,49 MPa; (c) 1240 ℃,12 MPa; (d) 1240 ℃,25 MPa; (e) 1280 ℃,6 MPa; (f) 1280 ℃,12 MPa

1 試驗材料及方法

本研究使用了一種第二代單晶高溫合金，其主要化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)為4.3Cr、9Co、2Mo、8W、7.5Ta、2Re、5.6Al、0.5Nb、0.1Hf和余量的Ni。通過真空感應(yīng)爐制備母合金，并沿[001]方向制備單晶高溫合金。對單晶樣品進行標準熱處理，熱處理制度為[13]：1290 ℃×1 h + 1300 ℃×2 h + 1315 ℃×4 h(Air cooling，AC)+ 1120 ℃×4 h(AC)+ 870 ℃×32 h(AC)。使用線切割將熱處理試樣切割成小圓柱(φ6 mm×5 mm)，與定向凝固方向垂直的面為φ6 mm，然后進行機械研磨和拋光去除表面殘余應(yīng)力，然后將這些樣品通過直徑為φ5 mm的球形壓頭分別在6、12、25、49、74和98 MPa的應(yīng)力下在垂直于晶體(001)平面的表面上壓痕，保壓時間為15 s。為了避免氧化，將樣品封入裝有氬氣的石英玻璃管中，然后將不同應(yīng)力下的樣品分別在1200、1240和1280 ℃下保溫4 h，然后取出空冷。

將空冷后的試樣用AB膠鑲嵌，將鑲好的樣品用由粗到細的水磨砂紙逐級打磨，然后用1.5 μm的金剛砂研磨膏在金相拋磨機上進行拋光處理。樣品經(jīng)水洗和乙醇清洗并吹干后，化學(xué)腐蝕(化學(xué)腐蝕劑8 g FeCl3+24 mL HCl+21 mL H2O)約10 s。樣品腐蝕完成后采用FEI-Quanta 450型掃描電鏡(SEM)觀察合金的顯微組織。使用JXA-8100型電子探針(EPMA)分析再結(jié)晶區(qū)域的元素分布。通過Image-Pro Plus 6.0軟件統(tǒng)計再結(jié)晶層平均厚度。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 再結(jié)晶的形成

圖1為不同應(yīng)力和溫度條件下試驗合金再結(jié)晶的形成情況，可知當溫度為1200 ℃時，施加應(yīng)力為25 MPa的樣品表面微觀組織相同，表明無再結(jié)晶形成；而施加應(yīng)力為49 MPa的樣品表面形成了一層與基體組織不同的區(qū)域，說明樣品表面產(chǎn)生了再結(jié)晶。因此，1200 ℃下產(chǎn)生再結(jié)晶的臨界應(yīng)力在25～49 MPa。當溫度升高到1240 ℃和1280 ℃時，產(chǎn)生再結(jié)晶的臨界應(yīng)力分別在12～25 MPa和6～12 MPa之間。綜上所述，應(yīng)力和溫度決定了單晶高溫合金再結(jié)晶的形成，而且隨著溫度的升高，產(chǎn)生再結(jié)晶的臨界應(yīng)力逐漸降低。

根據(jù)固態(tài)相變原理可知，再結(jié)晶的形成并不是一個自發(fā)的過程，需要驅(qū)動力[14]。一般而言，施加在單晶高溫合金上的應(yīng)力會以位錯的形式將一部分變形能量儲存下來，而在熱處理過程中這些儲存的能量就是產(chǎn)生再結(jié)晶的驅(qū)動力[15]。只有當驅(qū)動力達到臨界值時才會形成再結(jié)晶。再結(jié)晶臨界驅(qū)動力Pc通過式(1)計算[16]：

(1)

圖3 不同應(yīng)力和溫度下試驗合金再結(jié)晶層的演變Fig.3 Evolution of recrystallization layer of the tested alloy under different stresses and temperatures(a) 1200 ℃; (b) 1240 ℃; (c) 1280 ℃; (a1, b1, c1) 49 MPa; (a2, b2, c2) 74 MPa; (a3, b3, c3) 98 MPa

式中：εc為臨界塑性應(yīng)變，主要受溫度控制，在本文中假設(shè)1200、1240和1280 ℃下εc分別為6%、3%和2%[17]；γlagb為小角度晶界能，此處為0.6 J/m2[17]。根據(jù)公式(1)計算可知，在1200、1240和1280 ℃下再結(jié)晶臨界驅(qū)動力分別為0.29、0.15和0.10 MPa。Humphreys等[18]研究表明，在合金變形時大部分外界功都以其他形式的能量耗散，只有極少一部分(約1%)留在材料中成為變形儲存能(再結(jié)晶驅(qū)動力)。根據(jù)Humphreys等[18]報道，可以計算得到形成再結(jié)晶的臨界應(yīng)力為29 MPa(1200 ℃)、15 MPa(1240 ℃)、10 MPa(1280 ℃)。圖2顯示了不同溫度下再結(jié)晶臨界應(yīng)力的試驗值與計算值之間的關(guān)系。結(jié)果表明，大于臨界應(yīng)力時會產(chǎn)生再結(jié)晶，小于臨界應(yīng)力時則不會產(chǎn)生再結(jié)晶，而且臨界應(yīng)力隨著溫度的升高而減小。因此，通過理論計算獲得的再結(jié)晶臨界應(yīng)力與試驗結(jié)果基本吻合。

圖2 試驗合金再結(jié)晶臨界應(yīng)力計算值與試驗值的比較Fig.2 Comparison of calculated value and tested value of critical stress of recrystallization of the tested alloy

2.2 應(yīng)力對再結(jié)晶層的影響

圖3為不同應(yīng)力和溫度下試驗合金再結(jié)晶層的演變。從圖3可以看出，在相同溫度下再結(jié)晶層的厚度隨著應(yīng)力的增加而增加；而在相同應(yīng)力下再結(jié)晶層的厚度隨著溫度的升高而增加。為了具體觀察再結(jié)晶層厚度的變化趨勢，統(tǒng)計了圖1和圖3中再結(jié)晶層的厚度，如圖4所示。結(jié)果表明，在相同溫度下隨著應(yīng)力的增加試驗合金再結(jié)晶層厚度近乎線性增加。此外，隨著溫度的升高，再結(jié)晶層厚度的增長速度明顯加快。

圖4 應(yīng)力與試驗合金再結(jié)晶層厚度之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between stress and thickness of recrystallization layer of the tested alloy

此外，從物理學(xué)角度來看，再結(jié)晶晶界遷移實際由擴散過程控制[17]。因此，通過EPMA點掃對不同應(yīng)力下再結(jié)晶和原始基體區(qū)域進行元素分析，如表1所示。結(jié)果表明，再結(jié)晶區(qū)域中Al含量大于原始基體區(qū)域，而再結(jié)晶區(qū)域中W、Cr、Co含量小于原始基體區(qū)域。上述結(jié)果表明再結(jié)晶過程中Al元素向再結(jié)晶區(qū)域遷移，而W、Cr、Co元素向原始基體區(qū)域遷移。

表1 1200 ℃時不同應(yīng)力下試驗合金再結(jié)晶(RX)和原始基體(OM)區(qū)域中元素含量(質(zhì)量分數(shù)，%)

為了更清晰地表征1200 ℃時不同應(yīng)力下試驗合金中元素的擴散行為，根據(jù)表1中數(shù)據(jù)計算元素分配系數(shù)，表達式為[19]：

(2)

式中：k為元素分配系數(shù)；CRX為再結(jié)晶區(qū)域中元素含量；COM為原始基體區(qū)域中元素含量。計算結(jié)果如圖5所示，當k>1時，元素(Al)向再結(jié)晶區(qū)域擴散，而且分配系數(shù)越大，元素偏析程度越大；當k<1時，元素(W、Cr、Co)向原始基體區(qū)域擴散，而且分配系數(shù)越小，元素偏析程度越大。因此，元素偏析程度隨著應(yīng)力的增加而增大。

圖5 1200 ℃時不同應(yīng)力下試驗合金的元素分配系數(shù)Fig.5 Element distribution coefficient of the tested alloy under different stresses at 1200 ℃

再結(jié)晶層厚度主要受形核后的生長階段控制[20]。再結(jié)晶形核后，晶界通過向原始基體內(nèi)部遷移使再結(jié)晶生長。再結(jié)晶生長速率可以表述為[21]：

v=PdM

(3)

式中：Pd為作用于再結(jié)晶晶界的壓力；M為再結(jié)晶晶界遷移率。根據(jù)公式(3)可知，再結(jié)晶的生長速率分別與Pd和M成正比。Pd主要來自變形儲存能，其隨著應(yīng)力的增加而增加，從而導(dǎo)致再結(jié)晶生長速率加快。另外，從圖5中發(fā)現(xiàn)應(yīng)力能夠促進元素擴散，這是由于塑性變形區(qū)域能夠形成大量位錯，而位錯可以作為元素的快速擴散通道，從而促進元素擴散[22]。因此，隨著應(yīng)力的增加，一方面能夠推動再結(jié)晶晶界向原始基體快速遷移，而另一方面通過加快再結(jié)晶晶界兩側(cè)的元素擴散來推動晶界遷移，從而促使形成的再結(jié)晶層厚度逐漸增加。

此外，再結(jié)晶晶界遷移率M也決定著再結(jié)晶生長速率，可由Arrhenius關(guān)系式表示[23]：

(4)

式中：D0為擴散常數(shù)(7.5×10-4m2/s)[17]；b為柏氏矢量(0.36 nm)[24]；k為Boltzmann常數(shù)(1.38×10-23J/K)；Qb為晶界遷移激活能(290～300 kJ/mol)[17]；R為通用氣體常數(shù)(8.314 J/(mol·K))；T為溫度(K)。通過公式(4)計算獲得再結(jié)晶晶界遷移率與溫度之間的關(guān)系以及通過試驗獲得在不同應(yīng)力下再結(jié)晶層厚度與溫度之間的關(guān)系，如圖6所示。結(jié)果表明，再結(jié)晶晶界遷移率隨溫度的升高而呈指數(shù)增加，這與再結(jié)晶層厚度的變化規(guī)律相符。而且試驗合金再結(jié)晶層厚度的增長速率隨著應(yīng)力的增加而增大。這是由于再結(jié)晶的形成與γ′相有關(guān)，γ′相的溶解有助于再結(jié)晶生長，而未溶解的γ′相會阻礙再結(jié)晶晶界的遷移[25]。因此，隨著溫度的升高，γ′相的溶解速度加快，導(dǎo)致再結(jié)晶晶界遷移的阻力迅速減小，從而使形成的再結(jié)晶層厚度呈指數(shù)增長。Jo等[26]認為合金變形區(qū)域的變形儲存能在加熱過程中能夠促進γ′相溶解。因此說明了應(yīng)力能夠進一步加快γ′相溶解的速度，使得再結(jié)晶層厚度的增長速率隨著應(yīng)力的增加而增大。

圖6 試驗合金再結(jié)晶晶界遷移率和再結(jié)晶層厚度與溫度之間的關(guān)系Fig.6 Relationship between recrystallization grain boundary mobility and recrystallization layer thickness of the tested alloy and temperature

3 結(jié)論

1) 試驗合金再結(jié)晶的形成與應(yīng)力和溫度密切相關(guān)。當施加的應(yīng)力高于臨界應(yīng)力時才會產(chǎn)生再結(jié)晶，而低于臨界應(yīng)力則不會產(chǎn)生再結(jié)晶，并且再結(jié)晶臨界應(yīng)力隨著溫度的升高而降低。

2) 在相同溫度下，應(yīng)力的增加能夠促進試驗合金再結(jié)晶晶界兩側(cè)元素擴散，從而推動晶界快速遷移，導(dǎo)致形成的再結(jié)晶層厚度呈線性增加。

3) 在相同應(yīng)力下，隨著溫度的升高，γ′相的溶解速度加快，導(dǎo)致再結(jié)晶晶界遷移的阻力迅速減小，從而使形成的再結(jié)晶層厚度呈指數(shù)增長。此外，應(yīng)力也能夠促進γ′相的溶解，導(dǎo)致試驗合金再結(jié)晶層厚度的增長速率隨著應(yīng)力的增加而增大。