N06625合金熱成形工藝的模擬試驗(yàn)和分析
UNSN06625合金是以Mo、Nb為主要強(qiáng)化元素的Ni-Cr固溶強(qiáng)化型鎳基變形高溫合金,在650℃以下具有良好的持久性能、抗腐蝕,抗氧化和抗疲勞性能,從低溫到1095℃都具有良好強(qiáng)度和韌性。廣泛應(yīng)用于化工廠的熱交換器、反應(yīng)容器、蒸餾塔等設(shè)備、海水專(zhuān)用設(shè)備﹑燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)﹑航天發(fā)動(dòng)機(jī)、核動(dòng)力設(shè)備,污染控制設(shè)備(煙氣脫硫系統(tǒng))等領(lǐng)域。
但其合金化程度高,鑄錠宏觀偏析嚴(yán)重,塑性差,熱成形過(guò)程中容易開(kāi)裂。熱成形區(qū)間窄,熱變形過(guò)程中變形抗力高、硬化大,對(duì)應(yīng)變速率敏感。UNSN06625合金為奧氏體單相合金,在熱處理過(guò)程中不發(fā)生相變不能通過(guò)熱處理細(xì)化晶粒,僅能通過(guò)熱加工控制晶粒大小。因此分析該合金熱成形工藝至關(guān)重要,目前國(guó)內(nèi)涉及該合金成形工藝研究較少,郭青苗等研究了GH625合金熱變形過(guò)程中動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為,俞秋景等研究了Inconel625合金熱處理工藝[5,方旭東等研究了熱處理對(duì)GH625合金熱擠壓管材組織及力學(xué)性能的影響[6,吾志崗等研究了CH625鎳基高溫合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶模型。本文通過(guò)UNSN06625合金高溫拉伸、高溫壓縮試驗(yàn),結(jié)合變形后合金晶粒度分析,對(duì)其熱成形工藝參數(shù)進(jìn)行分析。
1試驗(yàn)材料及方法
1.1試驗(yàn)材料
試驗(yàn)材料冶煉采用中頻爐＋電渣重熔,爐料在3t中頻爐中冶煉完成后澆注電極,電極規(guī)格(mm)為420×3100,電極清理后采用3t電渣爐進(jìn)行電渣重熔,電渣錠規(guī)格(mm)為610/540x1470,化學(xué)成分見(jiàn)表1。
1.2試驗(yàn)方法
采用Gleeble1500D熱模擬試驗(yàn)機(jī),進(jìn)行高溫拉伸和高溫壓縮試驗(yàn),試樣為鍛態(tài)。高溫拉伸:在非真空條件下將試樣以10℃/s的速度加熱至變形溫度后保溫5min,隨即以5s-1的變形速率進(jìn)行拉伸,斷后水冷;高溫壓縮試驗(yàn)加熱﹑保溫、冷卻方式與拉伸相同,分別在變形速率1,5,10s條件下進(jìn)行壓縮，真應(yīng)變0.9。
通過(guò)熱模擬拉伸試驗(yàn)計(jì)算不同溫度下斷面收縮率、抗拉強(qiáng)度,確定該合金最佳熱塑性溫度區(qū)間;將壓縮變形后試樣沿軸向中心切開(kāi),試樣經(jīng)研磨拋光后,采用10mLH2SO4+100mLHCl+10g無(wú)水CuSO4配制成的混合溶液進(jìn)行腐蝕,在OLYMPUSGX71金相顯微鏡下觀察組織,分析不同變形條件下該合金組織變化情況。采用壓縮數(shù)據(jù)回歸計(jì)算合金變形抗力模型,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界變形量模型,為制定熱成形工藝提供理論參考。
2試驗(yàn)結(jié)果
2.1熱加工區(qū)間確定
試樣在熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行不同溫度高溫拉伸試驗(yàn),抗拉強(qiáng)度及斷面收縮率結(jié)果見(jiàn)圖1。
由圖1可知,變形速率為5s-1時(shí)斷面收縮率隨溫度升高先增大后減小,溫度低于1100℃時(shí)斷面收縮率隨溫度升高而增加,熱塑性增強(qiáng),超過(guò)1100℃時(shí)斷面收縮率開(kāi)始下降,熱塑性隨之變差,這與材料內(nèi)部組織有關(guān)。拉伸試樣采用鍛態(tài)樣,原始晶粒為細(xì)小等軸晶(7.0級(jí)),晶界多,界面能高,隨溫度升高受熱激活效應(yīng),材料的晶粒長(zhǎng)大趨勢(shì)明顯,熱塑性呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。
實(shí)際生產(chǎn)時(shí)一般以斷面收縮率面收縮率達(dá)到55%以上,隨溫度升高斷面收縮率增加,1100℃時(shí)78%，超過(guò)1100℃以后斷面收縮率開(kāi)始降低,但在1180℃時(shí)斷面收縮率仍保持在60%以上,可以滿足熱加工要求。因此該材料適合熱加工的溫度區(qū)間為975~1180℃。
UNSN06625合金實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,在鑄錠開(kāi)坯階段由于該合金鑄態(tài)組織晶粒度受溫度影響不大;析出相在1100℃以上主要是在基體上彌散分布的細(xì)小純鈮相,對(duì)熱加工性能影響不大;結(jié)合拉伸斷面收縮率在1100℃時(shí)熱塑性最佳;考慮工件出加熱爐后的表面溫降,控制加熱溫度在1120℃,以獲得最佳開(kāi)坯溫度。在經(jīng)過(guò)一定量的熱變形之后,成分偏析程度降低,晶粒變細(xì),熱塑性提高,此時(shí)可將熱成形溫度升高,降低熱加工變形抗力,實(shí)現(xiàn)大變形量成形以減少成形火次,提高生產(chǎn)效率,同時(shí)有利于合金發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。
2.2峰值應(yīng)力表達(dá)式建立
峰值應(yīng)力是表征材料塑性變形性能的一個(gè)最基本量,在實(shí)際塑性變形過(guò)程中,材料的峰值應(yīng)力值決定了變形時(shí)所需施加載荷大小和消耗能量多少。材料在塑性加工時(shí)的峰值應(yīng)力大小不但是進(jìn)行設(shè)備選.型及校核的依據(jù),也是進(jìn)行模具與有關(guān)裝置設(shè)計(jì)的基本前提。建立峰值應(yīng)力的表達(dá)式可以通過(guò)表達(dá)式計(jì)算不同條件下該合金的峰值應(yīng)力,對(duì)設(shè)備選型、模具設(shè)計(jì)提供理論參考。
材料高溫壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線見(jiàn)圖2,由圖2可以看出,在一定溫度下材料的變形抗力(σ)隨變形速率(ε)的增加而增大。
由圖2求出不同溫度、不同變形速率下的峰值應(yīng)力,見(jiàn)表2。
將表2中數(shù)據(jù)代入lnε=lnA1+n1lnσ、lnε=lnA2+Bσ中,分別繪制lnε:-Inσ,Inε-σ關(guān)系圖,確定雙曲正弦函數(shù)ε=A[sinh(aσ)nexp(-Q/RT)]中的未知數(shù)值,得到變形激活能Q=441.67kJ/mol。線性擬合獲得的UNSN06625合金峰值應(yīng)力表達(dá)式為：
式中:ε-變形速率;σ-變形抗力;T-變形溫度;Q-變形激活能;R-氣體摩爾常數(shù);n-應(yīng)力指數(shù);A、A1、A2、β、α-與溫度無(wú)關(guān)的材料常數(shù)。
2.3動(dòng)態(tài)再結(jié)晶及晶粒度分析
2.3.1變形溫度對(duì)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶影響
UNSN06625合金為面心立方結(jié)構(gòu)屬于低層錯(cuò)能金屬,熱變形過(guò)程中易產(chǎn)生層錯(cuò),位錯(cuò)的攀移和交滑移較難進(jìn)行,不易產(chǎn)生動(dòng)態(tài)回復(fù)。在熱加工過(guò)程中會(huì)局部積累足夠高的位錯(cuò)密度發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。
在變形速率5s-1下的不同溫度組織形貌見(jiàn)圖3。由圖3可知,隨變形溫度升高,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶進(jìn)行的越充分,低于1050℃時(shí)變形后的組織中存在大量未再結(jié)晶奧氏體晶粒,隨溫度升高再結(jié)晶晶粒增加,未結(jié)晶區(qū)面積減小;950℃時(shí)存在65%左右的未再結(jié)晶區(qū),1000℃時(shí)存在20%左右的未再結(jié)晶區(qū)，1050℃時(shí)未再結(jié)晶區(qū)比例降低至5%左右,溫度升高至1100℃時(shí)合金已完全發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,組織基本為完全等軸晶粒,再結(jié)晶晶粒為13.0級(jí);1100℃以上原始組織已完全再結(jié)晶,1150℃時(shí)完全再結(jié)晶后晶粒大小為11.0級(jí);1180℃時(shí)完全再結(jié)晶后晶粒大小為9.5級(jí)。
可見(jiàn)應(yīng)變速率一定時(shí)隨溫度升高再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)增加,原因是晶界遷移速度主要依賴溫度,隨溫度升高原子擴(kuò)散晶界遷移能力強(qiáng),易于發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶”。同時(shí)高溫下動(dòng)態(tài)再結(jié)晶完成后晶粒有明顯長(zhǎng)大趨勢(shì),且隨溫度升高再結(jié)晶晶粒更易于長(zhǎng)大,這是由于溫度越高,晶界原子的移動(dòng)、擴(kuò)散能力越強(qiáng),晶粒之間并吞速度加劇,晶粒長(zhǎng)大速度就越快,同時(shí)這種晶粒長(zhǎng)大可以在很短時(shí)間完成。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶后的晶粒度受變形溫度影響顯著,降低終成形變形溫度、會(huì)減緩動(dòng)態(tài)再結(jié)晶后的晶粒長(zhǎng)大趨勢(shì)。因而,通過(guò)控制熱加工終變形溫度可以調(diào)整成形件的晶粒組織。
2.3.2變形速率對(duì)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的影響
同一變形溫度下,變形速率越高,越有利于位錯(cuò)形核與積累,再結(jié)晶形核過(guò)程受位錯(cuò)密度控制,只有位錯(cuò)密度達(dá)到臨界時(shí)才能夠啟動(dòng)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,快速變形有利于位錯(cuò)積累,加速動(dòng)態(tài)再結(jié)晶啟動(dòng)。
不同變形速率下的組織見(jiàn)圖4,由圖4可知,變形溫度為1050℃,變形速率1s-1時(shí)未能完全再結(jié)晶,存在10%左右的未再結(jié)晶區(qū);變形速率5s-1時(shí)未能完全再結(jié)晶,存在5%左右的未再結(jié)晶區(qū);變形速率10s-1時(shí)原始組織基本完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶;1150℃時(shí)各變形速率下均已發(fā)生完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,可見(jiàn)達(dá)到一定溫度后變形速率對(duì)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)影響不大,僅晶粒度大小有所不同。1050℃:變形速率1s-1時(shí)再結(jié)晶晶粒13級(jí),此時(shí)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶沒(méi)有完成,晶粒未發(fā)生長(zhǎng)大;變形速率5s-1時(shí)再結(jié)晶晶粒14.5級(jí),此時(shí)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶沒(méi)有完成,晶粒未發(fā)生長(zhǎng)大;1050℃,變形速率10s-1時(shí)基本完全再結(jié)晶，再結(jié)晶晶粒14.5級(jí)。1150℃:變形速率1s-1時(shí)完全再結(jié)晶,再結(jié)晶晶粒9.5級(jí);變形速率5s-1時(shí)完全再結(jié)晶,再結(jié)晶晶粒10級(jí);變形速率10s-1時(shí)完全再結(jié)晶,再結(jié)晶晶粒11級(jí)。
可見(jiàn)同一變形溫度下，變形速率提高時(shí),動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒在較短變形時(shí)間內(nèi)來(lái)不及長(zhǎng)大,可得到再結(jié)晶細(xì)小晶粒;變形速率降低,為晶界遷移提供了充分的時(shí)間,使得再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大時(shí)間延長(zhǎng)。因此，快速變形有利于晶粒細(xì)化。
2.4動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界變形量確定
采用應(yīng)力-應(yīng)變曲線得到的材料加工硬化率θ可反映材料內(nèi)部組織發(fā)生變化,材料內(nèi)部發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶時(shí)θ-ε曲線上呈現(xiàn)拐點(diǎn),?2θ/?ε=0,以此為判據(jù)即可直接得到材料發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界變形量εc。多元回歸可得到該合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變量與溫度、變形速率的關(guān)系:
變形速率一定時(shí),UNSN06625合金的臨界變形隨著變形溫度的升高而降低;溫度一定時(shí),臨界變形量隨變形速率增加而增加。根據(jù)上述公式可以求得UNSN06625在不同變形條件下的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變量,實(shí)際熱加工過(guò)程中根據(jù)計(jì)算值確定動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界變形量。在相同變形速率及應(yīng)變量下,變形溫度越高,平均晶粒尺寸越大;在相同變形溫度下，變形速率提高時(shí),動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒在較短變形時(shí)間內(nèi)來(lái)不及長(zhǎng)大,可得到再結(jié)晶細(xì)小晶粒。因此，在再結(jié)晶溫度以上盡量在低溫﹑高變形速率下進(jìn)行終鍛/終軋即可獲得細(xì)小的晶粒組織。
2.5生產(chǎn)應(yīng)用
5t中頻爐熔煉電極,在鋼廠采用T型結(jié)晶器進(jìn)行電渣重熔,生產(chǎn)電渣重熔板坯,規(guī)格(mm)為2700×1100x200,電渣錠表面清理后采用1450軋機(jī)進(jìn)行熱軋,鑄錠加熱溫度1120℃,結(jié)合UNSN06625合金峰值應(yīng)力表達(dá)式及臨界變形量模型進(jìn)行不同道次變形量的設(shè)定,經(jīng)多道次軋制后熱軋成品厚度5mm,退火酸洗后經(jīng)多道次冷軋.退火酸洗、精整后生產(chǎn)出2mm成品冷軋板,各項(xiàng)性能達(dá)到或超過(guò)進(jìn)口板材性能,可用于替代進(jìn)口板材。
3結(jié)論
(1)適合UNSN06625合金熱加工的溫度區(qū)間為975~1180℃,鑄錠開(kāi)坯溫度為1120℃,鑄錠經(jīng)過(guò)一定變形后可適當(dāng)提高變形溫度。
(2)UNSN06625合金變形激活能Q=441.67kJ/mol,峰值應(yīng)力表達(dá)式為:
