左波，汪明樸，夏福中，王珊，陳暢，金鵬

(中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙，410083)

鉭及鉭鎢合金具有力學(xué)性能好、耐高溫、高密度、化學(xué)性能穩(wěn)定、抗腐蝕能力強(qiáng)和塑性加工性能好等特點(diǎn),被廣泛用于化工[1-2]、電子[3-4]、通訊[5]和航天[6]等領(lǐng)域。作為體心立方過渡族難熔金屬，如釩、鈮、鉬、鉭和鎢，其中除了鉭，都顯示出了塑脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，在低溫變形時(shí)顯示出脆性，這使得體心立方金屬的加工變得困難。鉭鎢合金適合進(jìn)行體心立方金屬變形規(guī)律研究是因?yàn)槠湓谧冃魏屯嘶疬^程中不會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變和相變，因此研究鉭鎢合金的變形行為對(duì)體心立方金屬的變形規(guī)律研究具有重要意義。體心立方金屬的層錯(cuò)能均很高，為400～1 000 mJ/m2。因此，體心立方金屬的塑性變形基本上是通過位錯(cuò)的滑移與交滑移實(shí)現(xiàn)的。鉭鎢合金板在軋制過程中,由于在軋制過程中金屬表層和心部的受力條件不同，其軋制織構(gòu)的類型和組分也存在著一定的差異，沿軋板的厚度方向上，織構(gòu)存在一定的不均勻性[7]，這些織構(gòu)的形成，使鉭鎢合金板在不同方向上的強(qiáng)度和伸長率都產(chǎn)生很大的差異[8]。因此，研究鉭鎢合金箔材在軋制以及退火過程中組織和性能的變化規(guī)律，不僅對(duì)鉭鎢合金箔材的生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義，而且對(duì)體心立方金屬的塑性變形行為具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)

本文采用粉末冶金法制備獲得了Ta-7.5W合金坯錠，通過對(duì)合金錠坯經(jīng)過中間退火，退火工藝為1 200℃保溫 40 min，軋制最終得到了厚度為 100 μm 的Ta-7.5W合金箔材。軋制道次變形量控制在5%～10%，每次冷軋的總變形量控制在50%左右。對(duì)冷軋獲得的100 μm Ta-7.5W合金箔材分別在1 050，1 200和1 350℃溫度下真空退火1 h。

金相顯微組織采用LeicaEC3顯微鏡觀察。顯微硬度測(cè)量在HV-5型小負(fù)荷維氏硬度計(jì)上進(jìn)行，載荷為0.2 N，加載15 s，每個(gè)試樣測(cè)量5次，去掉最大值和最小值，然后取其平均值。極圖測(cè)量采用反射法，在D8 Discover2500型號(hào)的X線衍射儀上進(jìn)行測(cè)試，箔材樣品尺寸為15 mm×15 mm×0.1 mm。對(duì)所得的X線衍射譜，使用MDI Jade 5.0軟件進(jìn)行分析，從而得式(1)中的I標(biāo)HKL和IHKL，利用式(1)計(jì)算可以得到軸密度參量PHKL：

式中：HKL為晶面指數(shù)；n為測(cè)量{HKL}衍射線的數(shù)目；IHKL為{HKL}衍射的強(qiáng)度；I標(biāo)HKL為板材無織構(gòu)時(shí){HKL}的衍射強(qiáng)度。

本實(shí)驗(yàn)通過測(cè)定棒材橫截面的{110}，{200}和{211} 3 個(gè)不完整極圖(極圖測(cè)量范圍 α=0°～75°，β=0°～360°)。由實(shí)測(cè)值算得極密度p?(α,β)，進(jìn)行歸一化處理后得到真實(shí)極密度p(α,β)。極圖數(shù)據(jù)經(jīng)修正和對(duì)稱(立方正交對(duì)稱性)處理后，采用 Bunge球諧函數(shù)分析與級(jí)數(shù)展開法[9]即可計(jì)算相應(yīng)的取向分布函數(shù)(ODF)，并將 Clmn系數(shù)表示至 lmax=22。透射電鏡觀察在JEOL 2010上進(jìn)行，操作電壓為200 kV。電鏡樣品減薄在 MTP-1雙噴減薄儀上進(jìn)行，電解液用V(氫氟酸):V(硫酸):V(甲醇)=1:5:94，電流為200 mA。

2 結(jié)果與分析

2.1 退火溫度對(duì)Ta-7.5%W合金硬度的影響

圖1所示為Ta-7.5%W合金箔材顯微硬度隨著退火溫度升高的變化。由圖 1可以看出：冷軋態(tài)Ta-7.5%W合金的顯微硬度達(dá)到了300 HV，硬度相比于純鉭冷軋加工態(tài)(197 HV)得到了較大提高。 這是由于溶質(zhì)元素W添加后，其與位錯(cuò)之間會(huì)發(fā)生彈性交互作用、電交互作用以及化學(xué)交互作用，這不僅會(huì)釘扎位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，而且還會(huì)增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的摩擦阻力[10]，因此，溶質(zhì)元素W的添加使得Ta-W合金強(qiáng)度得到了大幅度提高，起到了很大的固溶強(qiáng)化效果。

從圖 1還可以看出：隨著退火溫度的升高，Ta-7.5%W 合金箔材的顯微硬度逐漸下降。冷軋態(tài) Ta-7.5%W合金的顯微硬度為300 HV，經(jīng)1 050 ℃退火，合金的硬度下降為265 HV，經(jīng)1 200 ℃退火，合金的硬度下降為248 HV，而經(jīng)1 360 ℃退火，合金的硬度僅為212 HV。合金顯微硬度下降很快，說明合金此時(shí)發(fā)生了再結(jié)晶。

圖1 Ta-7.5%W合金顯微硬度隨著退火溫度的變化Fig.1 Dependence of micro-hardness of Ta-7.5%W alloy on annealing temperature

2.2 退火溫度對(duì)Ta-7.5%W合金箔材組織的影響

圖2 Ta-7.5%W合金箔材側(cè)面的顯微組織Fig.2 Microstructures of lateral surface of Ta-7.5%W alloy foils

圖2 所示為軋制厚度為0.100 mm的Ta-7.5%W合金箔材在不同退火狀態(tài)下的側(cè)面金相顯微組織照片。從圖2可以看出：Ta-7.5%W合金經(jīng)冷軋變形后，基體內(nèi)的晶粒沿軋制方向被拉長，晶界變得模糊不清，呈現(xiàn)纖維狀，是明顯的高度變形的纖維組織(如圖2(a)所示)。經(jīng)1 050和1 200 ℃退火1 h后，合金基體仍然是明顯的纖維組織(如圖 2(b)和(c)所示)，金相觀察看不出明顯變化。但經(jīng)1 360 ℃退火1 h后，由圖2(d)可以看出：該合金基體內(nèi)已出現(xiàn)了明顯的細(xì)小再結(jié)晶晶粒，尺寸為5 μm左右，大的再結(jié)晶晶粒為20 μm左右，纖維組織部分?jǐn)嗔眩@說明軋制厚度為 0.100 mm Ta-7.5%W合金箔材在此溫度下發(fā)生了再結(jié)晶。

2.3 退火溫度對(duì)Ta-7.5%W合金箔材織構(gòu)的影響

圖3所示為不同狀態(tài)的Ta-7.5%W合金箔材軋面的X線衍射譜[11]。由圖3可以看出：冷軋態(tài)軋面上各個(gè)晶面對(duì)應(yīng)的衍射峰的強(qiáng)度均明顯不同于無織構(gòu)樣(對(duì)照樣)，這說明了Ta-7.5%W合金箔材在冷軋變形過程中晶粒出現(xiàn)了擇優(yōu)取向，形成了織構(gòu)[12]。經(jīng)不同的溫度退火1 h后，各衍射峰的相對(duì)強(qiáng)度發(fā)生不同程度的變化，說明冷軋態(tài)Ta-7.5%W合金箔材在退火過程中織構(gòu)發(fā)生了演變。

表1列出了經(jīng)X線衍射譜測(cè)量并通過軸密度計(jì)算式(1)計(jì)算得到的各晶面的軸密度，通過軸密度分析可以得出冷軋態(tài) Ta-7.5%W 合金箔材織構(gòu)主要有{001}〈uvw〉 ，{111}〈uvw〉和{211}〈uvw〉 3 種織構(gòu)組分(〈uvw〉為晶向指數(shù))。經(jīng) 1 200 ℃退火 1 h 后，(001)晶面軸密度增強(qiáng)，由冷軋態(tài) 7.08增加到 14.13，(112)晶面軸密度稍有增強(qiáng)，由 0.78增加到 1.00，而(111)晶面軸密度減小。經(jīng)1 360 ℃退火1 h后，(001)晶面軸密度減小到12.89，(112)晶面軸密度由1.00增加到1.27，(111)晶面軸密度繼續(xù)減小到0.40。

圖3 Ta-7.5%W合金軋面的X線衍射譜Fig.3 XRD patterns of Ta-7.5%W alloy on rolled surface

表1 Ta-7.5%W合金軋面軸密度Table 1 Axis density of Ta-7.5%W alloy on rolled surface

上述研究結(jié)果表明：退火溫度會(huì)對(duì)Ta-7.5%W合金箔材的織構(gòu)產(chǎn)生影響，隨著退火溫度由1 200 ℃升高到1 360 ℃，冷軋態(tài){001}〈uvw〉織構(gòu)先增強(qiáng)后減弱，{112}〈uvw〉織構(gòu)逐漸增強(qiáng)，而{111}〈uvw〉織構(gòu)逐漸減弱。

圖4 Ta-7.5%W合金恒φ1=0°的ODF截面圖Fig.4 ODF section of Ta-7.5%W alloy when φ1=0°

為了更加準(zhǔn)確地確定Ta-7.5%W合金箔材中的織構(gòu)組分，本研究利用ODF對(duì)該合金的織構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步分析，圖4所示為厚度為0.100 mm的Ta-7.5%W合金箔材冷軋態(tài)和退火態(tài)恒φ1=0°的ODF截面圖。由圖4(a)可以看出：在邊緣區(qū)尤拉角為 φ1=0°，Φ=0°，φ2=45°的位置上取向密度最高，這表明冷軋態(tài)合金中的主要織構(gòu)組分是{001}〈110〉。此外還存在其他的織構(gòu)組分，譬如在尤拉角(0°，30°，45°)處的{112}〈110〉織構(gòu)。經(jīng)1 200 ℃退火 1 h(圖 4(b))后，在尤拉角(0°，0°，45°)處的{001}〈110〉織構(gòu)增強(qiáng)，Φ=30°處的{112}〈110〉織構(gòu)減弱，其余織構(gòu)組分變化并不十分明顯，主要織構(gòu)組分還是{001}〈110〉和{112}〈110〉。經(jīng) 1 360 ℃退火 1 h后(圖4(c))，取向密度最高點(diǎn)仍處于尤拉角為φ1=0°，Φ=0°，φ2=45°的位置，但是取向密度相對(duì)減弱，這表明1 360 ℃退火1 h會(huì)減弱{001}〈110〉織構(gòu)組分。

圖5所示為不同狀態(tài)的Ta-7.5%W合金箔材在退火過程中晶粒取向變化的取向線分析[11]。從圖5可以看出：冷軋態(tài)Ta-7.5%W合金箔材沿α取向線在Φ=0°，35°，90°處出現(xiàn)了3個(gè)峰值，分別對(duì)應(yīng)的織構(gòu)組分為{001}〈110〉，{112}〈110〉和{110}〈110〉。經(jīng) 1 200 ℃退火 1 h 后，{001}〈110〉織構(gòu)組分增強(qiáng)，{112}〈110〉織構(gòu)組分減弱，而{110}〈110〉織構(gòu)略有減小。經(jīng)1 360 ℃退火 1 h后，{001}〈110〉織構(gòu)組分急劇減弱；而{112}〈110〉織構(gòu)也略有減小。冷軋態(tài)合金中{111}〈110〉織構(gòu)取向密度也較高，經(jīng)1 200 ℃退火1 h后，{111}〈110〉織構(gòu)取向密度減?。唤?jīng)1 360 ℃退火1 h 后，{111}〈110〉和{111}〈112〉織構(gòu)取向密度略有增加。

2.4 TEM組織觀察

圖 6所示為冷軋態(tài) Ta-7.5%W 合金箔材的 TEM像。由圖6可以看出：在軋面//{111}晶面取向的晶粒中，基體中的變形組織以胞狀組織為主，位錯(cuò)胞的胞壁較厚，胞壁中纏結(jié)的位錯(cuò)密度很高，在這種大的位錯(cuò)胞的內(nèi)部還可以看到少量相互纏結(jié)的位錯(cuò)線。在軋面//{100}晶面取向的晶粒中形成了形變帶組織，形變帶中有大量拉長的位錯(cuò)胞組織，這些拉長的位錯(cuò)胞平行分布，拉長的位錯(cuò)胞邊界為平行分布的長的高密度位錯(cuò)邊界，稱為幾何必須位錯(cuò)邊界。由對(duì)應(yīng)的衍射斑分布可以看出：這些GNBS延著{100}晶面平行分布。可見，在此取向的晶粒中，大量位錯(cuò)在{100}晶面上發(fā)生了滑移。另外在這些拉長的位錯(cuò)胞中，還存在著大量細(xì)小的位錯(cuò)胞，這些位錯(cuò)胞的邊界稱為附加位錯(cuò)邊界(IDBS)。一般來說，幾何必須位錯(cuò)邊界是用來協(xié)調(diào)各相鄰位錯(cuò)胞塊之間的取向差，即晶格的旋轉(zhuǎn)，含有大量多余的凈位錯(cuò)柏矢，位錯(cuò)差大。而附加位錯(cuò)邊界中纏結(jié)的位錯(cuò)的凈柏矢幾乎為零，位錯(cuò)胞向的取向差小。

圖5 Ta-7.5%W合金箔材退火過程晶粒取向變化的取向線分析[11]Fig.5 Orientation line analysis results of Ta-7.5%W in annealing process

圖6 冷軋態(tài)Ta-7.5%W合金箔材的TEM像Fig.6 TEM images of cold-rolled state Ta-7.5%W

圖7 所示為Ta-7.5%W合金箔材1 200 ℃退火1 h的TEM像。由圖7可以看出：與冷軋態(tài)Ta-7.5%W合金箔材的 TEM 顯微組織相比，大量位錯(cuò)消失，位錯(cuò)胞壁已經(jīng)變薄，胞壁中纏結(jié)的位錯(cuò)數(shù)量有所減少，這是因?yàn)樵谕嘶疬^程中，位錯(cuò)線會(huì)向胞壁遷移并與胞壁中的異號(hào)位錯(cuò)相互抵消，降低了胞壁處的位錯(cuò)密度。在軋面//{111}晶面取向上的晶粒中形成了大量的亞晶結(jié)構(gòu)，此時(shí)亞晶邊界開始遷移形成再結(jié)晶晶核(圖7(a))。而在軋面//{100}晶面取向上的晶粒中，形變帶中位錯(cuò)密度也減小，開始形成亞晶結(jié)構(gòu)。由此可以看出在軋面//{111}晶面取向上的晶粒，其再結(jié)晶進(jìn)程要比軋面//{100}晶面取向上的晶粒緩慢。

圖8所示為Ta-7.5%W合金箔材1 360 ℃退火1 h的TEM像，由圖8可以看出：合金經(jīng)1 360 ℃退火1 h后合金中形成了平直的大角度晶界，說明此時(shí)合金中發(fā)生了再結(jié)晶。相鄰亞晶粒某些公共邊界上的位錯(cuò)通過攀移和滑移，轉(zhuǎn)移到周圍晶界或角度較大的亞晶界上，由于大角亞晶界上吸收了更多的位錯(cuò)，使相鄰亞晶粒的位向差增大，小角晶界逐漸轉(zhuǎn)化為大角晶界，它比小角晶界具有更高的遷移率, 可迅速移動(dòng), 清除其移動(dòng)路程中存在的位錯(cuò), 最終在它后面留下無畸變的組織。

圖7 Ta-7.5%W合金箔材1 200 ℃退火1 h的TEM像Fig.7 TEM images of Ta-7.5%W alloy after annealing at 1 200 ℃ for 1 h

圖8 Ta-7.5%W合金箔材1 360 ℃退火1 h的TEM像Fig.8 TEM image of Ta-7.5%W alloy after annealing at 1 360 ℃ for 1 h

3 討論

Ta-7.5%W 合金在冷軋過程中形成了強(qiáng)烈的{001} 〈110〉和{112} 〈110〉織構(gòu)。圖 9(a)所示為冷軋{001}〈110〉織構(gòu)形成機(jī)理。鉭鎢合金屬于體心立方晶粒，滑移往往會(huì)沿著最密排面上的密排方向〈111〉進(jìn)行滑移，{110}〈111〉，{112}〈111〉和{123}〈111〉都是其潛在的滑移系。為了簡(jiǎn)單起見，只考慮(211)[11]和(2[111] 2個(gè)滑移，由這2個(gè)滑移系對(duì)稱滑移即可形成{001}〈110〉織構(gòu)，如圖 9(a)所示。在{211}和{2}晶面上分布了兩組位錯(cuò)平行于[01]，柏氏矢量分別平行于[111]和[11]的刃型位錯(cuò)[13-14]，同時(shí)位錯(cuò)在(211)和{2}面上并不是均勻分布。由Lee的關(guān)于 bcc金屬的再結(jié)晶模型理論[15]可知(圖 9(b))：當(dāng)鉭鎢合金的最大應(yīng)力方向[111]轉(zhuǎn)動(dòng)到與最小彈性模量方向[100]一致時(shí)，退火過程中儲(chǔ)能的釋放最大，再結(jié)晶進(jìn)行速度達(dá)到最快，導(dǎo)致了{(lán)111}〈112〉再結(jié)晶織構(gòu)的形成[16]。

圖9 冷軋、再結(jié)晶織構(gòu)形成示意圖Fig.9 Formation diagram of cold-rolled and recrystallization texture

另外根據(jù)近代再結(jié)晶形核理論[17]，不同的變形組織，其再結(jié)晶的形核機(jī)制也不同。通過透射電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)冷軋態(tài)Ta-7.5%W合金箔材在軋面//{111}晶面取向上形成了大量的位錯(cuò)胞亞結(jié)構(gòu)，再結(jié)晶過程中，由于變形大，位錯(cuò)密度高，亞晶界曲率大，易于遷移。亞晶界遷移中清除并吸收其掃過區(qū)相鄰亞晶的位錯(cuò)，使亞晶界獲得更多位錯(cuò)，與相鄰亞晶取向差增大變?yōu)榇蠼蔷Ы?，?dāng)大角界面達(dá)到臨界曲率半徑，便成為穩(wěn)定再結(jié)晶核心。這種亞結(jié)構(gòu)主要通過亞晶界遷移、亞晶長大形核。而在軋面//{100}晶面方向上形成了形變帶，形變帶中取向差梯度比較大，亞晶界的位錯(cuò)主要是通過攀移和交滑移而遷出，使亞晶界消失，相鄰亞晶轉(zhuǎn)動(dòng)。這種形核機(jī)制相對(duì)亞晶界遷移、長大機(jī)制較慢，這與織構(gòu)測(cè)量所得結(jié)果相一致。

4 結(jié)論

(1) 冷軋變形的Ta-7.5%W合金箔材經(jīng)1 360 ℃退火時(shí)硬度減小速度明顯大于經(jīng)1 200 ℃退火時(shí)硬度減小速度，說明此時(shí)已發(fā)生再結(jié)晶。

(2) Ta-7.5%W 合金冷軋態(tài)的主要織構(gòu)為{001}〈110〉 和{112}〈110〉，回復(fù)再結(jié)晶之后形成典型的{111}〈112〉再結(jié)晶織構(gòu)。

(3) 經(jīng) 95%冷軋變形的 Ta-7.5%W 合金箔材具有各向異性，在軋面//{111}晶面取向上形成位錯(cuò)胞亞結(jié)構(gòu)，在再結(jié)晶過程中通過亞晶界遷移、亞晶長大形核；而在軋面//{100}晶面取向上形成了形變帶，主要是通過亞晶轉(zhuǎn)動(dòng)、聚合形核；這種組織上的差異，使再結(jié)晶形核機(jī)制不同，影響再結(jié)晶織構(gòu)。

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