不同成分GH4133B高溫合金的熱壓縮變形行為
GH4133B是一種典型的難變形高溫合金,主要用作火箭和航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤材料,其合金化程度高,變形抗力大,可變形溫度范圍窄,熱加工成形難度大。鍛件的顯微組織對(duì)合金成分和變形工藝參數(shù)敏感,由于參數(shù)控制不當(dāng)而形成的異常組織,往往無法通過后續(xù)熱處理徹底消除。而顯微組織對(duì)材料的塑性、沖擊韌性、疲勞性能及物理性能具有顯著的影響,這使得熱加工工藝成為材料組織性能控制的重要環(huán)節(jié)。
GH4133B是在GH4133合金基礎(chǔ)上通過合金元素調(diào)整而發(fā)展起來的。合金的熱壓縮變性行為影響其熱加工工藝的制訂,但有關(guān)該合金此方面的報(bào)道并不多見。
為此,作者研究了變形溫度和變形量對(duì)不同碳、鋁鈦鈮含量GH4133B合金的熱壓縮變形行為的影響,為預(yù)測合金顯微和熱加工工藝條件的制訂提供參考依據(jù)。
1試樣制備與試驗(yàn)方法
試驗(yàn)設(shè)計(jì)并自行冶煉了四種不同碳、鋁、鈦、鈮含量的GH4133B合金,合金的化學(xué)成分如表1所示。合金經(jīng)真空感應(yīng)爐冶煉后澆鑄成5kg的鑄錠,然后軋制成φ18mm的圓棒。四種合金的化學(xué)成分如表1所示。此后加工成φ8×15mm的圓柱試樣,在Gleeble3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行變形性能的熱模擬壓縮試驗(yàn),試驗(yàn)溫度為1100,1150,1180℃,壓縮前保溫30s,變形量分別為15%、30%、50%,應(yīng)變速率為1s-1。熱變形后試樣迅速水淬,以保持變形后的組織。

利用Thermo-Calc熱力學(xué)計(jì)算軟件以及相應(yīng)的鎳基數(shù)據(jù)庫對(duì)合金中的平衡析出相進(jìn)行了熱力學(xué)模擬計(jì)算,在不同溫度下,合金中的平衡穩(wěn)定相及其組成根據(jù)系統(tǒng)Gibbs自由能最小的原理來確定。計(jì)算結(jié)果表明,碳含量在0.04%-0.1%之間時(shí),碳化物的平衡析出溫度為1300-1315℃,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本熱壓縮試驗(yàn)的變形溫度上限,因此可以認(rèn)為,在變形溫度1100-1180℃下的壓縮過程中,合金的變形行為受到碳化物的影響。而GH4133B合金的γ′相的析出溫度在930-950℃,若從這個(gè)角度考慮,可以認(rèn)為在本試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的變形溫度下變形時(shí),γ′相完全溶解,不存在其在變形過程中產(chǎn)生的強(qiáng)化作用。
2試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1熱變形抗力
由圖1可以看出,在相同變形溫度下,真應(yīng)力先是隨著應(yīng)變量得增大而急劇增加,在最高點(diǎn)出現(xiàn)屈服現(xiàn)象,后趨于平穩(wěn)。這是由于隨著變形量增大,位錯(cuò)不斷增殖,位錯(cuò)間的交互作用又增大了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力,從而呈現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象。超過某一形變量后,變形儲(chǔ)存能成為再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力,再結(jié)晶可以消除或改變原來的變形織構(gòu),發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化,當(dāng)軟化速率與硬化速率平衡時(shí),流變應(yīng)力達(dá)到最大值;隨著動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的進(jìn)行,軟化速率大于硬化速率,應(yīng)力逐漸下降;當(dāng)發(fā)生完全再結(jié)晶后,其晶粒組織和流變應(yīng)力不隨變形量變化,進(jìn)入穩(wěn)態(tài)變形階段。當(dāng)應(yīng)變量相同時(shí),變形溫度越高,合金的流變應(yīng)力也越低,這是由于隨著溫度升高,滑移系的臨界切應(yīng)力下降,合金的變形抗力降低。

圖2是合金不同變形溫度熱壓縮變形的峰值應(yīng)力圖。變形量一定時(shí),隨著變形溫度的升高,峰值應(yīng)力逐漸降低。相對(duì)于含碳量為0.062%的合金,從成分的角度來看,碳含量的變化對(duì)合金峰值應(yīng)力的影響也比較顯著,減少碳含量至0.04%,合金2在1100℃和1180℃時(shí)的峰值應(yīng)力降低,其中1100℃變形時(shí)降低最大,1150℃時(shí)峰值應(yīng)力有所增大;增加碳含量至0.1%,合金3也有相似的趨勢,只是變化幅度比較小,但1150℃時(shí)峰值應(yīng)力增大比較明顯;這是因?yàn)樘计塾诰Ы?,并產(chǎn)生細(xì)小顆粒狀二次TiC,阻止晶界滑動(dòng)和裂紋形成,從而有利于持久塑性和持久時(shí)間的提高,但是碳含量太高,晶界二次TiC析出太多,甚至構(gòu)成TiC薄膜,使晶界變脆,裂紋易于擴(kuò)展,持久時(shí)間縮短。減少含碳量至0.052%,合金4降低鋁鈦鈮含量,由于合金化程度有所降低,因此各個(gè)變形溫度的峰值應(yīng)力都比含碳量為0.062%的合金1的峰值應(yīng)力降低約5MPa。

2.2動(dòng)態(tài)再結(jié)晶
由圖3可見含碳量0.062%合金1在較高的變形溫度下,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶傾向性很大,在較小的塑性變形就能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。在1180℃進(jìn)行30%變形時(shí)已基本發(fā)生完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶;而在較低溫度下,要通過很大的變形量才能使材料發(fā)生完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。變形溫度為1100℃時(shí),變形量為30%時(shí)合金只發(fā)生了部分動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,混晶現(xiàn)象嚴(yán)重,變形量達(dá)到50%才能發(fā)生近似完全的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,形成均勻細(xì)小的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒。

由圖4可以看出,對(duì)于含碳量為0.04%的合金2,在1100℃進(jìn)行30%變形時(shí)發(fā)生部分動(dòng)態(tài)再結(jié)晶;在1100℃進(jìn)行50%變形時(shí),再結(jié)晶過程已相當(dāng)充分,合金內(nèi)基本布滿了細(xì)小的等軸晶,但垂直于被壓縮方向出現(xiàn)貫穿試樣的變形帶;在1180℃進(jìn)行30%變形時(shí)合金2發(fā)生了較為充分動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,平均晶粒尺寸大于1100℃下進(jìn)行30%變形時(shí),而且也發(fā)現(xiàn)垂直于被壓縮方向貫穿試樣的變形帶。

由圖5可知,對(duì)于含碳量為0.1%的試樣在1100℃下進(jìn)行30%變形時(shí),再結(jié)晶達(dá)到了較為充分的程度,再結(jié)晶晶粒占據(jù)了大部分表面;在1100℃進(jìn)行50%變形時(shí),再結(jié)晶過程已相當(dāng)充分,合金內(nèi)基本布滿了細(xì)小的等軸晶;在1080℃進(jìn)行30%變形時(shí),發(fā)生了完全的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,視野內(nèi)基本上是尺寸較大的再結(jié)晶晶粒。此合金由于含碳量較高,晶界和晶間分布著的大量顆粒狀碳化物也較其它合金多。

由圖6可見,對(duì)于含碳量0.052%的試樣,鋁、鈦、鈮含量的降低使合金的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶溫度下降,相同變形條件下的再結(jié)晶晶粒均大于碳含量為0.062%的試樣的再結(jié)晶晶粒,同時(shí),再結(jié)晶晶粒的偏大還應(yīng)與此試樣碳含量稍低于0.062%及碳化物含量減少有關(guān)。變形過程中實(shí)現(xiàn)完全的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶有利于在熱處理后獲得均勻的等軸晶組織。而不完全再結(jié)晶可能導(dǎo)致熱處理后形成項(xiàng)鏈狀組織、混晶組織和條帶組織等各種形式的雙重組織。

并且隨著變形溫度的升高,再結(jié)晶晶粒尺寸也隨之長大。因此應(yīng)嚴(yán)格控制變形溫度,避免超大晶粒的出現(xiàn)。綜合以上研究可以得出結(jié)論,含碳量在0.04%到0.1%之間時(shí),合金在1100℃下變形50%可以獲得較為均為的等軸晶組織。在1100℃下變形50%時(shí),降低碳含量至0.04%,合金再結(jié)晶晶粒較大;增加碳含量至0.1%,卻使合金再結(jié)晶溫度升高,出現(xiàn)混晶;碳含量為0.062%時(shí),合金獲得的再結(jié)晶晶粒較為細(xì)小和均勻。
2.3熱壓縮變形性能
壓縮試驗(yàn)后,含碳為0.062%的試樣在試驗(yàn)所設(shè)的變形溫度和變形量之下均未開裂,表面出現(xiàn)粗糙不平的帶,表現(xiàn)出良好的熱變形性能。含碳量為0.04%的合金分別在1100℃、50%,1150℃、50%,1180℃、30%,1180℃、50%變形后,表面較光滑并且發(fā)生不同程度的開裂;含碳量0.1%的合金也在1180℃時(shí)發(fā)生了輕微開裂。蘇玉芹等均認(rèn)為,壓縮試樣產(chǎn)生的側(cè)面縱裂是由于鼓形表面附近受有環(huán)向拉應(yīng)力所致。在變形溫度過高時(shí),由于晶粒間的強(qiáng)度大大削弱而常常產(chǎn)生由晶粒邊界拉裂,其裂紋和環(huán)向拉應(yīng)力方向近于垂直。當(dāng)變形溫度過低時(shí),常出現(xiàn)穿晶斷裂,其裂紋和環(huán)向拉應(yīng)力方向接近45°角。由圖7可見,低碳含量試樣在1100℃下變形50%后恰好出現(xiàn)與環(huán)向拉應(yīng)力呈45°角的裂紋,變形溫度高達(dá)1180℃時(shí),試樣表面出現(xiàn)和環(huán)向拉應(yīng)力方向近于垂直的裂紋。

由圖8可以看出,含碳量為0.04%合金的試樣內(nèi)部出現(xiàn)了垂直于壓應(yīng)力方向的變形帶,這些變形帶并非只沿著晶界,而是貫穿晶間的。這是由于此處晶界碳化物較少,晶界強(qiáng)化效果不明顯,從而易發(fā)生再結(jié)晶,產(chǎn)生變形不均勻的組織,這會(huì)使得合金在服役過程中產(chǎn)生不均勻應(yīng)力場,為裂紋的萌生和長大乃至構(gòu)件斷裂提供了條件。含碳量為0.1%的試樣中分布著許多大塊狀的一次碳化物。在較高溫度下,基體塑性很大,而大量的晶界碳化物和塊狀一次碳化物存在會(huì)產(chǎn)生變形的不協(xié)調(diào),容易導(dǎo)致裂紋的萌生。由以上分析可知,對(duì)于GH4133B合金而言,含碳量為0.062%時(shí)的熱變形性能比較好,減少或增多碳含量都對(duì)合金的壓縮變形性能產(chǎn)生不利影響。

含碳量為0.052%、低鋁鈦鈮含量合金的試樣在熱壓縮變形后也無開裂現(xiàn)象的出現(xiàn)。這是由于合金化程度相對(duì)較低,導(dǎo)致變形抗力亦有所下降,但要考慮到鋁、鈦和鈮是強(qiáng)化相γ′相的主要形成元素,它們的減少將影響標(biāo)準(zhǔn)熱處理后合金的強(qiáng)度,因此,利用降低鋁鈦鈮含量雖能降低變形抗力,但不能保證合金綜合性能。
3結(jié)論
(1)不同成分GH4133B合金的熱變形抗力隨著變形溫度的升高而迅速降低
(2)提高變形溫度和增大變形量能夠促進(jìn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程的進(jìn)行。含碳量0.062%時(shí)合金的熱變形性能最較好,減少或增多碳含量都對(duì)合金的壓縮塑性產(chǎn)生不利影響;降低鋁鈦鈮含量,由于變形抗力下降,塑性亦保持良好。
