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变形条件对GH625合金高温变形动态再结晶的影响

来源期刊：稀有金属2010年第6期

论文作者：吾志岗李德富郭胜利邹宏辉胡捷彭海健

文章页码：833 - 838

关键词：GH625合金;热变形;动态再结晶;变形热效应;

摘要：采用Gleeble高温压缩实验研究了变形条件对GH625合金高温变形动态再结晶的影响,结果表明:当变形程度较小时,原始晶粒内部出现大量孪晶,晶界呈现锯齿状凸出;随变形程度的增加,在晶界弓出部位开始形核,形成大量再结晶晶粒,随变形程度进一步增加,GH625合金动态再结晶体积分数增大,但是再结晶晶粒尺寸无明显变化;GH625合金动态再结晶是一个受变形温度和应变速率控制的过程,变形温度越高,动态再结晶越容易形核,应变速率越小,动态再结晶过程进行得越充分。在低应变速率条件下,GH625合金获得完全动态再结晶组织的温度随变形速率的升高而升高,而在高应变速率条件下必须考虑变形热效应对合金变形组织的影响。

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稀有金属 2010,34(06),833-838

变形条件对GH625合金高温变形动态再结晶的影响

吾志岗李德富郭胜利邹宏辉胡捷彭海健

北京有色金属研究总院有色金属加工事业部

摘要：

采用Gleeble高温压缩实验研究了变形条件对GH625合金高温变形动态再结晶的影响,结果表明:当变形程度较小时,原始晶粒内部出现大量孪晶,晶界呈现锯齿状凸出;随变形程度的增加,在晶界弓出部位开始形核,形成大量再结晶晶粒,随变形程度进一步增加,GH625合金动态再结晶体积分数增大,但是再结晶晶粒尺寸无明显变化;GH625合金动态再结晶是一个受变形温度和应变速率控制的过程,变形温度越高,动态再结晶越容易形核,应变速率越小,动态再结晶过程进行得越充分。在低应变速率条件下,GH625合金获得完全动态再结晶组织的温度随变形速率的升高而升高,而在高应变速率条件下必须考虑变形热效应对合金变形组织的影响。

关键词：

GH625合金;热变形;动态再结晶;变形热效应;

中图分类号： TG146.1

作者简介：吾志岗(1985-),男,浙江衢州人,硕士研究生;研究方向:难变形金属塑性成型;李德富,通讯联系人(E-mail:lidf@grinm.com);

收稿日期：2010-01-04

基金：国家自然科学基金和宝山钢铁股份有限公司联合资助(50834008)资助;

Effect of Deformation Conditions on Dynamic Recrystallization of GH625 Nickel-Based Alloy

Abstract：

Effects of deformation process on dynamic recrystallization of GH625 Nickel-based alloy were studied by isothermal compression test conducted on a Gleeble-1500D simulation machine.The results showed that there were a large number of twins and serrated protrusions appeared at the grain boundary when deformation was within a small scale,while some larger crystalline grain could be found in the protrusions spreading out of the grain boundary when deformation scale increased.When deformation continued to increase,the dynamic recrystallization volume fraction of GH625 alloy increased,but dynamic recrystallization grain size had no significant changes.The dynamic recrystallization process of GH625 alloy was controlled by deformation temperature and strain rate.In order to obtain a fully dynamic recrystallization structure in the GH625 alloy,the temperature needed for deformation increased as the strain rate increased under the condition of low strain rate.The higher the deformation temperature,the easier dynamic recrystallization nucleation;and the smaller the strain rate,the more sufficient the dynamic recrystallization process.Under high strain rate conditions,the thermal effects of deformation significantly affected the microstructure of the alloy after deformation,as a result,which should be considered through the process.

Keyword：

GH625 alloy;hot deformation;dynamic recrystallization;deformation thermal effects;

Received： 2010-01-04

GH625镍基高温合金具有优良的耐腐蚀、抗氧化性能及良好的机械性能, 其合金管材主要应用于燃气涡轮发动机、核动力设备和宇航发动机等领域, 是航空、航天、核能、石油及化工等工业关键零件的制造材料 ^[1,2] 。

GH625合金热加工技术的开发需要解决一些基本问题和技术瓶颈, 其首要解决的就是对GH625合金的高温变形行为进行深入系统研究。目前, 对GH625合金研究的报道主要集中于合金加工工艺、组织和机械性能方面 ^[3,4,5] , 而对该合金高温变形时微观组织演变规律的研究尚未见报道。大量研究表明 ^[6,7,8] , 镍基高温合金是低层错能金属, 其滑移面上的不全位错之间的层错带(扩展位错)较宽, 很难会聚成全位错, 因而在热变形过程中不易发生刃位错的攀移和螺位错的交滑移, 故动态再结晶是合金动态软化的主要方式, 因此研究GH625合金高温变形过程中的动态再结晶行为有助于系统深入认识该合金的高温变形行为, 具有重大的理论和实际意义。

本文采用Gleeble-1500D热模拟试验机, 对GH625合金进行高温压缩实验, 研究了变形程度、变形温度和应变速率对GH625合金高温变形过程动态再结晶组织的影响规律。

1 实验

实验材料采用抚顺特殊钢股份有限公司生产的Φ200 mm的GH625合金锻态棒材, 其化学成分(质量分数, %)如表1所示。

坯料经1200 ℃、保温30 min固溶处理后车削加工成Φ8 mm×12 mm的圆柱形试样, 其显微组织为少偏析的均匀等轴晶粒, 如图1所示。试样两端放置钽片作为润滑, 在Gleeble-1500D热模拟试验机上进行热压缩实验, 实验温度为1000, 1050, 1100, 1150和1200 ℃, 应变速率为0.01, 0.1, 1.0和10.0 s^-1, 应变量为0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9和1.2。试样以10 ℃·s^-1的速度加热到预设温度保温3 min后进行压缩实验, 压缩完成后立即水冷到室温, 以保留变形组织。

2 结果与讨论

2.1变形程度对GH625合金高温变形组织的影响

动态再结晶需要一个临界变形量, 只有当实际变形量超过临界变形量时, 动态再结晶才会发生。与静态再结晶相比, 动态再结晶所需的临界变形量一般较大(稍低于峰值应变)。此外, 增大变形程度可使组织内位错密度增加、晶格畸变加剧, 驱动新一轮的再结晶过程。

图1 固溶处理后试样显微组织

Fig.1 Microstructure of GH625 alloy after solution

GH625合金在变形温度为1150 ℃, 应变速率为0.1 s^-1时不同变形程度下的显微组织如图2所示。应变量ε为0.1时, 原始晶粒内部出现大量孪晶, 原始晶界呈锯齿状凸出, 在晶界周围没有观察到再结晶晶粒, 如图2(a)所示; 应变量ε为0.3时原始晶界附近有大量的细小再结晶晶粒, 形成“项链”状组织, 如图2(b)所示, 由此可以看出, 晶界弓出形核是GH625合金在高温变形过程中的动态再结晶晶粒形核的主要方式; 应变量ε为0.5时, 再结晶的体积分数进一步增大, 原始晶粒逐步被细小再结晶晶粒取代, 如图2(c)所示; 当应变量ε为0.7时, 如图2(d)所示, 晶粒细小均匀, 此时动态再结晶已经完成; 对比图2(d), (e)和(f)可以发现, 在应变量ε≥0.9时, 变形组织中再结晶晶粒尺寸相比应变量ε为0.7时没有明显变化, 该现象可能与合金动态再结晶过程的“项链机制” ^[9,10,11] 有关, 该机制认为在动态再结晶初期形成项链状组织的合金, 晶粒尺寸与形核率和再结晶晶界迁移速度之间保持动态平衡。

2.2变形温度对GH625合金动态再结晶组织的影响

GH625合金在 ε˙=0.1s?1,ε=0.7 时, 不同变形温度下的金相和TEM显微组织分别如图3和4所示。图3(a)为变形温度T=1000 ℃时金相组织, 可以看到原始组织中的大晶粒沿变形方向被严重拉长, 部分大晶粒晶界周围有细小的再结晶晶粒出现, 表明此时动态再结晶已经开始形核, 结合图4(a)可以看到, 合金变形后的原始晶界处分布有大量的位错, 产生明显的位错缠结和塞积现象, 成为动态再结晶的最佳形核位置 ^[12] ; 在T=1050 ℃时, 合金中原来的大晶粒逐渐被细小晶粒取代, 图4(b)中小四方晶粒A为动态再结晶晶粒, B和C区域仍为高密度位错区, 是再结晶晶粒进一步长大的驱动力; 图3(c)所示为T=1100 ℃时的显微组织, 此时动态再结晶体积分数不断增大, 少量被拉长的变形大晶粒夹杂在细小的等轴再结晶晶粒中, 图4(c)所示为此温度下的TEM组织, 晶粒内的位错密度大大降低, 再结晶晶粒向高位错密度一侧推移; 在T=1150 ℃时, 动态再结晶已经完成, 如图3(d)所示, 此时变形后的组织呈现完全动态再结晶组织, 平均晶粒尺寸约为21.21 μm, 从图4(d)的TEM组织中可以看到, 再结晶晶粒间已形成了稳定的大角度晶界。

表1 GH625镍基高温合金化学成分(%, 质量分数)

Table 1 Chemical composition of GH625(%, mass fraction)

C	Cr	Mo	Nb	Fe	Mg	Al	Mn	Si	Ti	Ni
0.053	21.320	8.580	3.730	0.110	0.010	0.180	0.040	0.090	0.160	Bal.

2.3 应变速率对GH625合金高温变形组织的影响

动态再结晶是一个应变速率控制的过程, 应变速率不仅会影响再结晶晶粒的形核, 而且对晶粒的长大过程以及晶粒尺寸都有很大的影响 ^[13] 。图5为GH625合金在温度T=1000 ℃、应变量ε=0.7时不同应变速率条件下的金相组织。从图中可以看出, 在时, 随着应变速率降低, 合金再结晶体积分数逐渐增大, 由于合金动态再结晶的驱动力一般是由金属的储存能提供, 当变形速率较低时, 金属原子可充分扩散, 有利于动态再结晶的形核 ^[14,15,16] 。而在应变速率为时, 合金动态再结晶体积分数比应变速率为0.01 s^-1时的要大。这可能是由于在高应变速率条件下, 变形过程中产生的变形热来不及向外界扩散而积蓄于物体内部, 该过程可以近似认为是绝热过程 ^[17] , 导致实际变形温度高于预设温度, 促进了动态再结晶过程的进行 ^[18] 。另外, 从本文2.2中也可看出, 随温度升高, 合金动态再结晶体积分数增大。图6为预设温度1000 ℃时各应变速率条件下的实测试样表面的变形温度值, 可以看出在时, 变形过程中的温升值达到40 ℃以上, 而在低应变速率条件下, 变形过程中产生的变形热通过热交换及时扩散出去, 温升现象不明显。

研究表明, 合金高温变形组织演化是一个能量的存储及释放过程 ^[11] 。变形温度越高, 动态再结晶越容易形核, 应变速率越小, 动态再结晶过程进行得越充分。通过本论文的研究, 获得了GH625合金在应变量ε=0.7时各应变速率条件下获得完全动态再结晶组织的变形温度, 如表2所示, GH625合金获得完全动态再结晶组织的温度随变形速率的增大而升高, 在时, 获得完全再结晶组织的温度为1100 ℃, 而在应变速率时所需温度提高到1200 ℃; 在一定的应变量和变形温度下, 由于在高应变速率 s^-1下合金的变形热效应显著, 使得实际变形温度高于预设温度, 促进了动态再结晶晶粒的形核长大, 导致动态再结晶体积分数比应变速率为0.01 s^-1时的要大。因此, GH625合金的动态再结晶过程也是一个受变形温度和应变速率控制的过程。

图6 预设1000 ℃时各应变速率下的瞬时温度

Fig.6 Instantaneous temperature at different strain rate when the temperature being 1000 ℃

表2应变量ε=0.7、不同应变速率条件下GH625合金达到完全动态再结晶组织的温度值

Table 2Temperature of gh625 alloy achieved full dynamic recrystallization under different strain rates conditions when ε being 0.7

Strain rate	Temperature/℃
0.01	1100
0.10	1150
1.00	1200
10.00	1200

3 结论

1. GH625合金以动态再结晶为动态软化的主要方式, 在应变量较小时, 晶界呈现锯齿状凸出, 随着变形程度的升高, 在晶界弓出部位形成大量再结晶晶粒。

2. 在条件下, ε≥0.3时动态再结晶开始形核, 在ε=0.7时获得完全动态再结晶组织, 随变形程度进一步增加, 再结晶晶粒尺寸无明显变化。

3. GH625合金动态再结晶是一个受变形温度和应变速率控制的过程, 变形温度越高, 动态再结晶越容易形核, 应变速率越小, 动态再结晶过程进行得越充分。在低应变速率条件下, GH625合金获得完全动态再结晶组织的温度随变形速率的升高而升高, 合金在实验范围内完成动态再结晶的温度从1100 ℃提高到1200 ℃, 而在高应变速率条件下变形热效应显著, 促进了动态再结晶晶粒的形核长大, 因此合金在高应变速率条件下变形必须考虑变形热效应对合金变形组织的影响。