彭聰輝， 常 輝， 胡 銳， 樊江昆， 柏廣海， 傅恒志

(西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710072)

Haynes230高溫合金是美國(guó)20世紀(jì)80年代初研制成功的Ni-Cr-W系高溫合金［1］，具有良好的高溫強(qiáng)度、優(yōu)良的抗氧化性和耐腐蝕性，以及較好的熱穩(wěn)定性［2］，已應(yīng)用于航空、航天及核工業(yè)領(lǐng)域［3］。除了以板狀、棒狀以及渦輪盤(pán)狀得到應(yīng)用外，Haynes230高溫合金正逐步應(yīng)用于一些形狀復(fù)雜件或薄壁件的制造中［4，5］。針對(duì)復(fù)雜零件成形問(wèn)題，通常采用等溫塑性成形方法實(shí)現(xiàn)高溫合金件的精確成形［6］。等溫塑性成形要求變形前的合金晶粒組織均勻、細(xì)小，從而使其變形抗力減小，實(shí)現(xiàn)精確成形［7］。

Shiomi Kikuchi［8］等人通過(guò)粉末冶金法制備了IN-100細(xì)晶高溫合金，組織細(xì)化是在合金制備過(guò)程中完成的。王淑云［9］等人采用等溫鍛造變形對(duì)FGH96高溫合金進(jìn)行細(xì)晶處理，得到一種沒(méi)有完全再結(jié)晶的變形態(tài)組織，宏觀晶粒輪廓仍較為粗大。L Ceschini，HongJun Lv等人［10，11］研究了 INCONEL718合金的晶粒細(xì)化工藝，利用基體中析出均勻彌散的δ相釘扎晶界，來(lái)控制再結(jié)晶后晶粒尺寸。然而Haynes230高溫合金為固溶強(qiáng)化型高溫合金，基體為單一的奧氏體相，故上述工藝均不適用于該合金的組織細(xì)化。針對(duì)Haynes230高溫合金，可以通過(guò)調(diào)整冷變形量及控制靜態(tài)再結(jié)晶來(lái)細(xì)化晶粒，使其形成理想的細(xì)晶組織，從而改善合金高溫塑性成形能力。本研究從經(jīng)典再結(jié)晶理論出發(fā)，對(duì)冷軋Haynes230高溫合金的靜態(tài)再結(jié)晶行為進(jìn)行研究，計(jì)算得到再結(jié)晶激活能及動(dòng)力學(xué)曲線，為實(shí)現(xiàn)Haynes230高溫合金的組織細(xì)化提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)材料為美國(guó)哈氏公司生產(chǎn)的退火態(tài)Haynes230高溫合金板材，其主要化學(xué)成分如表1所示。板材尺寸為20mm×20mm×10mm，在雙輥軋機(jī)上進(jìn)行冷軋，變形量為20.5%，29.1%，39.7%，49.8%;對(duì)冷軋板材進(jìn)行再結(jié)晶退火，退火溫度：1100℃，1125℃，1150℃，1175℃，1200℃;保溫時(shí)間：10min，20min，30min，40min，60min。沿試樣軋制平面進(jìn)行機(jī)械研磨和拋光，用鹽酸與硝酸混合溶液(3∶1)進(jìn)行腐蝕，用OLYMPUS/GX51型光學(xué)電子顯微鏡對(duì)其顯微組織進(jìn)行觀察。采用直線截距法測(cè)量平均晶粒度［12］，通過(guò)金相網(wǎng)格法對(duì)顯微組織進(jìn)行定量分析［13］。

2 結(jié)果及分析

2.1 冷軋+再結(jié)晶退火后的顯微組織及其分析

圖1為Haynes230高溫合金經(jīng)20.5%變形量冷軋后在1100℃保溫不同時(shí)間的顯微組織?？梢钥闯?，保溫時(shí)間為10min時(shí)，合金組織沒(méi)有發(fā)生明顯變化，原始晶粒晶界處形成少量細(xì)小的再結(jié)晶晶粒。隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，細(xì)小的再結(jié)晶晶粒逐漸增多。

表1 Haynes230合金的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Main chemical composition of Haynes230(mass fraction/%)

保溫至60min后，再結(jié)晶過(guò)程基本完成。另外，試樣經(jīng)室溫冷軋及退火后，顯微組織中出現(xiàn)了較多的孿晶，這是因?yàn)镠aynes230高溫合金具有較低的層錯(cuò)能，低層錯(cuò)能不僅會(huì)阻止試樣在變形過(guò)程中位錯(cuò)的交滑移，同時(shí)也降低孿晶界的界面能，促使在位錯(cuò)開(kāi)動(dòng)之前金屬所受應(yīng)力已達(dá)到孿生變形所需應(yīng)力。

Haynes230高溫合金經(jīng)20.5%冷軋變形并在不同溫度下保溫過(guò)程中晶粒尺寸與退火時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)圖2。可以看出，在1100～1150℃退火時(shí)，保溫時(shí)間從10min延長(zhǎng)至120min，晶粒尺寸呈先減小后增大的變化過(guò)程，這說(shuō)明在較低溫度下再結(jié)晶過(guò)程較為緩慢，隨著再結(jié)晶的進(jìn)行，晶粒逐漸變小，再結(jié)晶完成后，晶粒逐漸長(zhǎng)大。Haynes230高溫合金在1125℃保溫至 40min左右時(shí)，晶粒尺寸最小，為11.17μm。在1150℃下保溫20min時(shí)，晶粒尺寸比1125℃下保溫相同時(shí)間小，說(shuō)明在1150℃下20min內(nèi)形成的再結(jié)晶晶粒多于1125℃。隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，保溫相同時(shí)間下1150℃的晶粒尺寸比1125℃大，說(shuō)明1150℃下再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大的速率較大。當(dāng)退火溫度高于 1175℃時(shí)，保溫時(shí)間大于10min后，晶粒始終在長(zhǎng)大，說(shuō)明在此溫度范圍內(nèi)再結(jié)晶完成的時(shí)間較短。圖3分別為合金經(jīng)20.5%變形量冷軋后在1125℃，1150℃，1175℃，1200℃下保溫60min的微觀組織，可以看出冷軋Haynes230高溫合金板材在1100～1150℃進(jìn)行退火，可獲得完全再結(jié)晶組織，晶粒細(xì)小均勻。

圖3 Haynes230高溫合金在不同溫度下退火60min的顯微組織Fig.3 Microstructures of annealed Haynes230 superalloy at different temperatures for 60min (a)1125℃; (b)1150℃;(c)1175℃;(d)1200℃

2.2 靜態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)方程

初次再結(jié)晶是通過(guò)再結(jié)晶晶核的形成及其生長(zhǎng)來(lái)完成的，這一過(guò)程受到形核率和線生長(zhǎng)速率的影響。Avirami［14～16］于1941提出了用于描述再結(jié)晶過(guò)程動(dòng)力學(xué)的JMAK方程，對(duì)其兩邊取對(duì)數(shù)，可得：

式中x(t)為再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)，K為常數(shù)，t為保溫時(shí)間，該式表明lgln{1/［1-x(t)］}與lnt之間具有線性關(guān)系。不同冷軋變形的Haynes230高溫合金在1100℃下保溫過(guò)程中時(shí)間與再結(jié)晶晶粒體積分?jǐn)?shù)關(guān)系見(jiàn)表2，將t與x(t)帶入式(1)，可以得到不同變形量下在1100℃保溫過(guò)程中l(wèi)gln{1/［1-x(t)］}-lnt圖(圖4)，顯然，該圖具有較好的線性關(guān)系，說(shuō)明采用JMAK方程可以較好的描述冷軋Haynes230高溫合金板材退火處理的靜態(tài)再結(jié)晶過(guò)程。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)最小二乘法擬合可得到其擬合方程，如圖4中所示。

表2 不同變形量下1100℃和1125℃不同時(shí)間退火處理后的再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)Table 2 Fraction of recrystal grains of Haynes230 alloy at 1100℃ and 1125℃ for different time after different deformation(%)

2.3 再結(jié)晶激活能與動(dòng)力學(xué)曲線

再結(jié)晶過(guò)程中主要包括再結(jié)晶的形核和再結(jié)晶晶粒的長(zhǎng)大兩個(gè)部分，二者的激活能基本相等，故可用Q統(tǒng)一表示再結(jié)晶激活能。再結(jié)晶速率與溫度的關(guān)系可按Arrhenius方程來(lái)確定，當(dāng)再結(jié)晶晶粒體積分?jǐn)?shù)一定時(shí)，再結(jié)晶速率與產(chǎn)生一定量再結(jié)晶晶粒體積分?jǐn)?shù)所需時(shí)間t成反比，退火時(shí)間與激活能之間的關(guān)系為：

由不同溫度下完成相同再結(jié)晶晶粒體積分?jǐn)?shù)所需時(shí)間的比值就可以得到材料的再結(jié)晶激活能：

參照表2中合金在1125℃保溫10min，20min，30min時(shí)的再結(jié)晶晶粒體積分?jǐn)?shù)，由不同變形量的動(dòng)力學(xué)方程(見(jiàn)圖4)分別計(jì)算出合金在1100℃保溫時(shí)20.5%，29.1%，39.7%和49.8%四個(gè)變形量下完成相應(yīng)再結(jié)晶晶粒體積分?jǐn)?shù)所需的時(shí)間。由式(3)可計(jì)算出其再結(jié)晶激活能依次為402.50～440.37kJ/mol，362.49～388.56kJ/mol，331.05～340.10 kJ/mol和299.41～318.35 kJ/mol。可以看出，隨著變形量的增加，再結(jié)晶激活能逐漸減小。這是因?yàn)樵俳Y(jié)晶晶核優(yōu)先在晶界的位錯(cuò)、空位等缺陷處形成。變形量越大，位錯(cuò)、空位數(shù)量越多，一方面為合金再結(jié)晶提供更多有利的形核位置，另一方面，位錯(cuò)、空位等結(jié)構(gòu)缺陷處原子引力較低，使再結(jié)晶時(shí)克服原子引力所消耗的能量減小，從而降低再結(jié)晶激活能。

圖4 不同變形量下1100℃再結(jié)晶lgln{1/［1-x(t)］}-lnt曲線Fig.4 Curves of lgln{1/［1-x(t)］}-lnt at 1100℃and different deformation

表3 20.5%變形量下再結(jié)晶完成時(shí)間與溫度的關(guān)系Table 3 Relationship between time for recrystallization accomplishment and annealing temperature at deformation of 20.5%

按照再結(jié)晶完成溫度的定義，將再結(jié)晶完成時(shí)間定義為再結(jié)晶晶粒體積分?jǐn)?shù)達(dá)到總體的95%，由動(dòng)力學(xué)方程(見(jiàn)圖4)可得到合金經(jīng)20.5%冷軋變形后在 1100℃退火時(shí)完成再結(jié)晶的時(shí)間為74.51min，帶入式(3)可計(jì)算得到1125℃，1150℃，1175℃和1200℃下保溫時(shí)再結(jié)晶完成時(shí)間(見(jiàn)表3)。根據(jù)圖2，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，合金經(jīng)20.5%冷軋變形后在1125℃保溫時(shí)再結(jié)晶完成時(shí)間范圍為35～45min，1150℃時(shí)為 15～25min，1175℃以上均在10min以內(nèi)，對(duì)照表3，可知計(jì)算結(jié)果基本符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)式(3)，取20.5%變形量下Q均值為419.462kJ/mol，可以計(jì)算得到各溫度下的再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)曲線如圖5a所示。根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程可得到1100℃下不同變形量時(shí)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)曲線如圖5b所示。由圖可以看出，相同變形量下，隨著退火溫度的升高，再結(jié)晶形核孕育時(shí)間變化不明顯，但完成再結(jié)晶所用時(shí)間急劇減少，這是由于溫度越高，原子活性越大，其擴(kuò)散速率越快的緣故;相同溫度下退火，隨著變形量從20.5%增大至49.8%，再結(jié)晶孕育期變化同樣不明顯，再結(jié)晶完成時(shí)間逐漸減少。如果繼續(xù)增加變形量，一方面增加儲(chǔ)存能及形核位置，另一方面降低再結(jié)晶激活能，這都有助于熱激活過(guò)程的順利進(jìn)行，從而降低合金初次再結(jié)晶溫度。

退火溫度較低時(shí)(1100～1150℃)，再結(jié)晶開(kāi)始時(shí)的速率較小，隨著退火時(shí)間的增加而逐漸加快，再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)為20%～70%時(shí)，速率最大，然后又逐漸減緩，直至再結(jié)晶結(jié)束。而在較高溫度下退火時(shí)(1175～1200℃)，再結(jié)晶速率較快，在10min內(nèi)就基本完成再結(jié)晶。

圖5 Haynes 230高溫合金再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)曲線Fig.5 Recrystallization kinetic curves of Haynes 230 superalloy (a)20.5%deformation degree at different temperatures; (b)1100℃ temperature at different deformation degrees

3 結(jié)論

(1)冷軋Haynes230高溫合金板材在1100～1150℃范圍內(nèi)進(jìn)行退火，可獲得完全再結(jié)晶組織，晶粒細(xì)小均勻。

(2)冷軋Haynes230高溫合金靜態(tài)再結(jié)晶晶粒體積分?jǐn)?shù)與保溫時(shí)間的關(guān)系可用JMAK方程進(jìn)行描述，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到當(dāng)合金變形量為20.5%，29.1%，39.7%和49.8%時(shí)，該合金的再結(jié)晶激活能分別為402.5～440.371kJ/mol，362.494～388.557kJ/mol，331.054～340.102kJ/mol和299.41～318.35 kJ/mol，加大變形量可降低合金再結(jié)晶激活能。

(3)當(dāng)合金變形量為20.5%時(shí)，由其再結(jié)晶激活能計(jì)算得到在1100℃，1125℃，1150℃，1175℃和1200℃下再結(jié)晶完成時(shí)間分別為74.5min，37.41～39.68min，10.1～11.99min和5.43～6.8min，再結(jié)晶速率隨溫度的升高迅速增大。

［1］KLARSTROM D L.Oxidation-resistant nickel alloy：US，4476091［P/OL］.1982.［2010-8-26］.http：//www. wikipatents.com/US-Patent-4476091/oxidation-resistantnickel-alloy.

［2］Haynes International.Haynes 230 Alloy Brochure：No.H-3000［EB/OL］.［2010-8-26］.http：//www.haynesintl.com.

［3］KLARSTROM D L，HOBACK G L，ISHWAR V R.Rejuvenation heat treatment and weld repairability studies of Haynes230 alloy［D］.Munich：University of Munich，2000：34-35.

［4］POP D，WOLSKI K.Surface segregation in Haynes 230 alloy［J］.Appl surf Sci，2006，253：2244.

［5］KLARSTROM D L.Proceedings of the Symposium on Materials Design Approaches and Experiences［C］∥TMS Fall Meeting：Indianapolis，IN，USA，4-8 November，2001：297-307.

［6］吳詩(shī)惇.金屬超塑性變性理論［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1997：5-7.

［7］毛衛(wèi)民，趙新兵.金屬的再結(jié)晶與晶粒長(zhǎng)大［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1994：56-68.

［8］KIKUCHI Shiomi，ANDO Shousaku，F(xiàn)UTAMI Shu，et al. Superplastic deformation and microstructure evolution in PM IN-100 superalloy［J］.Journal of Materials Science：1990，25(11)：4712-4716.

［9］王淑云，李惠曲，楊洪濤，等.粉末高溫合金超塑性等溫鍛造技術(shù)研究［J］.航空材料學(xué)報(bào)，2007，27(5)：30-33.

［10］CESCHINI L，CAMMAROTA G P，GARAGNANI G L，et al.Microstructrual refinement and superplasticity of IN-718 superalloy［J］.Journal De Physique IV：Colloque C7，Supplement au Journal de PhysiqueⅢ，1993，3(11)：325-327.

［11］LU Hong-jun，JIA Xin-chao，ZHANG Kai-feng.Finegrained pretreatment process and superplasticity for INCONEL718 superalloy［J］.Materials Science and Engineering A：2002，(26)3：382-385.

［12］GB/T 6394—2002.金屬平均晶粒度測(cè)定方法［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.

［13］黃啟今.通用軟件MICROSOFT WORD在顯微組織定量分析中的應(yīng)用［J］.中國(guó)體視學(xué)與圖像分析，2002，7 (3)：182.

［14］AVRAMI M.Kinetics of phase changeⅠ—General theory［J］.Journal of Chemical Physics，1939，7：1103-1112.

［15］AVRAMI M.Kinetics of phase changeⅡ—Transformation time relations for random distribution of nuclei［J］.Journal of Chemical Physics，1940，8：212-224.

［16］AVRAMI M.Kinetics of phase changeⅢ—Granulation，phase change，and microstructure［J］.Journal of Chemical Physics，1941，9：177-178.