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        固溶溫度對GH4145合金顯微組織與力學性能影響

        2023-02-02 07:09:20李成龍李晴趙長虹
        金屬加工(熱加工) 2023年1期
        關(guān)鍵詞:室溫屈服斷口

        李成龍,李晴,趙長虹

        江蘇隆達超合金航材有限公司 江蘇無錫 214000

        1 序言

        GH4145是一種Cr含量較高的時效強化型鎳基高溫合金,美國牌號為 Inconel X-750[1-3]。其含有Co、W、Mn、Cr等固溶強化元素,Al、Ti、Nb、Ni是γ′Ni3(Al,Ti)相形成元素,決定合金的時效沉淀強化特征,而微量元素Mg、Zr、B的加入,起晶界強化作用,特別是Mg元素具有非常好的細化晶粒作用[4]。GH4145合金得到了廣泛的應用,如燃氣渦輪機的轉(zhuǎn)子葉片、葉輪和其他結(jié)構(gòu)件,火箭發(fā)動機的推力室,飛機的反推力裝置,大型高壓容器,以及模具和核反應堆等[5-9]。同時已用于制造航空發(fā)動機在800℃以下工作并要求強度較高且耐腐蝕的環(huán)形件、結(jié)構(gòu)件和螺栓等零件,在540℃以下具有良好的抗松弛性能[10,11]。針對GH4145合金在航空領(lǐng)域且工作溫度≤300℃工況條件下,本文討論了不同固溶溫度對材料顯微組織和室溫力學性能的影響,尤其是不同晶粒度對于室溫拉伸性能的影響,探索了屈服強度拐點對應的晶粒組織,以便為后續(xù)GH4145材料的選取提供技術(shù)支撐。

        2 試驗材料及方法

        試驗材料為GH4145合金,采用真空感應熔煉(VIM)+保護氣氛電渣重熔(PESR)的冶煉方式,其化學成分見表1。將合金錠采用自由鍛壓機進行鍛造,加工成φ80mm棒材,成品棒材按表2的制度分別進行不同固溶溫度和相同的時效制度進行熱處理。

        表1 GH4145合金化學成分(質(zhì)量分數(shù))(%)

        對經(jīng)表2中8種熱處理制度處理后的GH4145合金進行金相處理,將固溶和時效后的材料線切割成10mm×10mm×10mm的試樣,采用不同型號的砂紙對平行于棒材縱向截面的試樣表面進行打磨,并經(jīng)機械拋光后,在20g CuSO4+100mLH2SO4+100mL C2H5OH 溶液中浸蝕60~90s,制得用于觀察顯微組織的試樣,利用光學顯微鏡OM觀察試樣的顯微組織并用截距法測得平均晶粒尺寸。檢測合金室溫拉伸性能和硬度,同時利用掃描電鏡SEM觀察試樣斷口形貌。

        表2 固溶和時效熱處理制度

        3 試驗結(jié)果及分析

        3.1 GH4145合金的顯微組織

        GH4145合金棒材通過8種熱處理制度處理后的晶粒度形貌如圖1所示。對不同固溶溫度試樣的平均晶粒度進行統(tǒng)計,結(jié)果如圖2所示。從圖2可看出,隨著固溶溫度的提高,合金晶粒度也隨之長大,晶粒度的長大拐點在1035~1065℃,但溫度升高到1065℃后晶粒度長大趨勢逐漸平穩(wěn)。

        圖1 GH4145合金不同熱處理制度下試驗合金顯微組織

        圖2 GH4145合金不同熱處理制度下試驗合金晶粒度

        3.2 GH4145合金的室溫力學性能

        不同熱處理制度對應的室溫拉伸性能及平均晶粒尺寸的測試結(jié)果見表3。

        表3 室溫拉伸性能和平均晶粒尺寸

        3.3 GH4145合金的斷口形貌

        對以上8種熱處理制度的室溫拉伸試樣進行斷口掃描電鏡分析,發(fā)現(xiàn)制度1和制度2的斷口呈“杯錐狀”(見圖3a),制度3~8斷口均呈“沿晶狀”(見圖3b)。通過對比可以發(fā)現(xiàn),“杯錐狀”斷口呈2種斷裂區(qū)域,即表層韌窩形的纖維區(qū)和中心脆性剪切唇區(qū);“沿晶狀”斷口呈典型的脆性沿晶斷裂。同時“杯錐狀”斷口和“沿晶狀”斷口的屈服強度之間也存在明顯差異。

        圖3 室溫拉伸試樣斷口

        4 討論

        G H4145合金晶粒尺寸與室溫強度關(guān)聯(lián)符合Hall-Petch關(guān)系[12](ReL=σ0+kd-1/2),由于常溫下晶界對位錯運動的阻礙,因此晶界越多,即晶粒越細,材料的強度就越高,也就是細晶強化。從表3可看出,晶粒尺寸越小,強度越高。根據(jù)表3的數(shù)據(jù),以d-1/2(mm-1/2)為橫軸、以抗拉強度Rm(MPa)為縱軸,做出了晶粒尺寸d與室溫抗拉強度Rm的對應關(guān)系曲線(見圖4)。從圖4可看出,Rm與d-1/2(mm-1/2)基本呈線性關(guān)系。對圖4進行線性回歸,可以看出GH4145合金抗拉強度Rm與晶粒尺寸d的關(guān)系式為

        圖4 抗拉強度Rm與等效圓直徑d -1/2的關(guān)系

        但是,同樣在對屈服強度ReL與d-1/2進行對應關(guān)系,發(fā)現(xiàn)二者并不能呈線性關(guān)系。其主要差異是制度2與制度3之間,二者隨著晶粒組織的變化,其抗拉強度相差20%,二者晶粒度差異為平均6.5級(制度2)與6級(制度3),因此以6級晶粒度作為室溫屈服強度的“拐點”。

        5 結(jié)束語

        1)隨著固溶溫度的升高,晶粒度明顯長大,室溫拉伸強度也隨之降低。

        2)室溫抗拉強度與晶粒尺寸的Hall-Petch可用下式表達:Rm=938.9+47d-1/2。

        3)室溫屈服強度的拐點對應6級晶粒度,當晶粒度≤6級時,屈服強度呈明顯下降趨勢。

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