迟 海１,２,郭 霞１,２,刘伟丽１,２,３,高 峡１,２,３,贺俊智１,２,秦海龙４,王 凯４,毕中南４
(１．北京市理化分析测试中心,北京 １０００９４;
２．有机材料检测技术与质量评价北京市重点实验室,北京 １０００９４;
３．北京市科学技术研究院分析测试技术重点实验室,北京 １０００８９;
４．钢铁研究总院高温材料研究所,北京 １０００８１)
摘 要:对GH４１６９合金在５００,６２０,７２０℃下进行了应力松弛、蠕变和热膨胀试验,结合显微组织观察研究了合金的应力松弛行为.结果表明:在５００ ℃和６２０ ℃应力松弛试验过程中,GH４１６９合金的应力随时间的延长反常增大,在蠕变过程中表现为负蠕变应变,而在７２０℃下合金的应力松弛和蠕变行为均正常;在不同温度热膨胀试验过程中,GH４１６９合金均出现了收缩现象;γ″相析出使得γ基体的晶格常数减小,是导致 GH４１６９合金在６２０ ℃下应力反常增大的主要原因.
关键词:GH４１６９合金;时效;应力松弛;蠕变
中图分类号:TG１１５．５ 文献标志码:A 文章编号:１０００Ｇ３７３８(２０１９)０７Ｇ００６４Ｇ０５
０ 引 言
GH４１６９合金是一种体心立方 Ni３Nb(γ″相)和面心立方 Ni３(Al,Ti,Nb)(γ′相)沉淀析出强化的镍基高温合金,在高温下的强度高、抗蠕变性能好,并具有良好的抗氧化、耐腐蚀性能,广泛应用于航空发动机的热端部件[１].为了在合金中析出起主要强化作用的 γ″相和 γ′相,需要在固溶后进行快速冷却;然而在快速冷却过程中,合金内将产生高达４００MPa的残余应力[２].残余应力会在后续７２０ ℃×８h＋６２０℃×８h双级时效过程中得到松弛[３],其松弛机制常通过由时效温度下的应力松弛试验得到的合金高温特性来进行分析[４].然而,作者在进行 GH４１６９合金在时效温度下的应力松弛试验时发现了一种反常应力松弛现象,即应力会高于初始应力并随时间延长逐渐增大.
应力松弛的本质是材料在松弛过程中存在蠕变行为,即弹性变形在温度和外力作用下随时间延长逐渐向塑性变形转变,所以应力松弛是蠕变的另一种表现[５],二者在机制上是统一的.因而,可以将应力松弛与蠕变结合进行分析.目前,国内外学者仅在高铬铁素体耐热钢[６]以及Inconel７８３[７]、Inconel１００[８]、Nimonic８０A[９]等高温合金中发现了反常应力松弛或负蠕变现象,大多认为该反常现象与第二相 析 出 有 关. 然 而,目 前 还 没 有 其 他 学 者 在GH４１６９合金中发现任何反常应力松弛现象[１０Ｇ１１].因此,作者分别利用热膨胀试验和蠕变试验测试了 GH４１６９合金在高温下的变形量,观察了不同温度应力松弛试验后的显微组织,分析了热膨胀、蠕变与应力松弛之间的关系,旨在探索 GH４１６９合金出现反常应力松弛现象的宏观规律和微观机制,为分析该合金在时效过程中残余应力的演变规律和松弛机制提供依据.
１ 试样制备与试验方法
试验用 GH４１６９ 合金由钢铁研究总院高温材料研究所提供,固溶态,其主要化学成分见表１;该合金采用真空感应熔炼＋电渣重熔＋真空自耗重熔工艺熔炼,铸锭经均匀化处理后,锻造成直径２２０mm的圆棒,再经９８０ ℃固溶２h处理,空冷.在合金棒上机加工出尺寸如图１所示的试样, 分别按照 GB/T１０１２０－２０１３和 GB/T２０３９－２０１２
在 RDLＧ１００型高温蠕变松弛试验机上进行应力松 弛试 验 和 蠕 变 试 验,试 验 温 度 分 别 为 ５００,６２０, ７２０ ℃.蠕变试验保持３００ MPa应力恒定不变,应 力松弛试验保持加载至３００ MPa时的应变量恒定 不变.为了降低保温期间相变对试验结果的影响, 保温时间定为１０ min.在合金棒和应力松弛试验 后试样 的 平 行 段 上 取 样,打 磨、抛 光 并 用 组 成 为 ５gCuCl２＋１００mL HCl＋１００ mLC２H５OH 的溶 液腐 蚀 后,使 用 JSMＧ７８００F 型 场 发 射 扫 描 电 镜 (SEM)观察显微组织.在 FormastorＧD 型全自动 热膨胀仪上进行热膨胀试验,试验温度与应力松弛 和蠕变试验的一致.
２ 试验结果与讨论
２．１ 显微组织
由图２可以看出,固溶态 GH４１６９合金的显微组织主要由平均粒径约为３５μm 的面心立方 γ相和少量δ相、碳化物组成,无 γ″相和 γ′相等强化相析出.
在时效过程中,固溶态 GH４１６９合金的组织通常会发生过饱和固溶体→γ＋γ″＋γ′→γ＋δ＋γ′的转变[１２].γ″相在热力学上为亚稳相,在６５０ ℃以上温度长期暴露会集聚粗化并转变为δ相.δ相虽然在热力学上属于稳定相,但在温度低于９００ ℃时的析出很慢,因此在时效过程中 GH４１６９合金以析出γ″相和γ′相为主.由图３可以看出:在６２０,７２０℃下应力松弛后,GH４１６９合金组织中有圆盘状 γ″相和球状 γ′相析出,且较高应力松弛温度下 γ″相和 γ′相的尺寸较大、数量较多;在５００ ℃下应力松弛后,组织中未发现强化相析出.
２．２ 应力松弛、热膨胀和蠕变行为
由图４可以看出,在５００,６２０ ℃下应力松弛过程中,GH４１６９合金的应力均随时间的延长反常增大,而在７２０ ℃下应力则表现为正常的降低趋势.
由图５可以看出:在不同温度下 GH４１６９合金均表现出收缩趋势,而且温度越高,应变收缩量越大,在５００,６２０,７２０℃下保温８h后合金的应变收缩量分别达到了０．０２７６％,０．０５９４％,０．０７３４％.由此可知,在时效温度下进行应力松弛和蠕变试验时,GH４１６９合金中还存在着非蠕变机制的收缩效应.
由图６可以看出:经 ５００,６２０ ℃ 蠕变试验后,GH４１６９合金出现了负蠕变应变现象,而经７２０ ℃蠕变试验后的蠕变应变正常,随时间延长而增大,与应力松弛试验结果吻合;去除热收缩效应的影响后,不同温度下合金的蠕变应变均随时间的延长而增大.
由此可见,GH４１６９合金负蠕变应变和松弛时应力升高的现象均源自其在高温下的收缩.
２．３ 反常应力松弛行为分析
在应力松弛试验中,弹性变形逐渐转变为塑性变形,总应变保持不变,满足以下关系:
由于存在着与外应力无关的热膨胀应变,因此式(１)可修正为
式中:εt 为总应变;εe 为弹性应变;εp 为蠕变应变;εr为热膨胀应变;E 为弹性模量;σ为应力;C 为常数.
式(２)对时间t微分,可以得到应力松弛一般方程,为
式中:σ?? 为应力松弛速率;ε??p 为松弛蠕变速率;ε??r 为热膨胀应变速率;ε??ie为非弹性应变速率.由于在时效温度下存在保温时收缩的现象,式(３)中的ε??ie包括ε??p 和ε??r 两部分,因此需要将ε??ie减去ε
??r,才能得到应力松弛中实际的ε??p.但是受到时效强化作用的影响,ε??p 不能近似于
该应力水平下的稳态蠕变速率ε??c,在应力达到稳定之前不 能 将 其 简 单 地 分 为 多 个 微 小 段 蠕 变 的 累积[１３],因此传统的ε??pＧσ 曲线不能很好地描述其反常应力松弛现象.由于在时效温度下保温时强化相随时间延长不断析出,松弛应力和蠕变应变对时间的变化更为敏感,因此利用式(３)对应力松弛曲线进行处理,得到ε??eＧt、ε??
rＧt和ε??pＧt曲线.
由图７可以看出:在６２０,７２０ ℃下进行应力松弛试验时,ε??r 在试验初期较大,说明合金在试验初期处于较高的收缩水平;随着时间的延长,应变收缩速率迅速降低,当时间为２h后逐渐稳定.γ″相是 GH４１６９合金 的 主 要 强 化 相,铌 是 形 成 γ″相 的关键元素.在 γ″相 析 出 过 程 中,铌 原 子 迁 移 形 成γ″相,γ基体相的化学成 分 随 之 改 变;而 γ基 体 相化学成分的变化将导致晶格常数的变化[１４],特别是具有较高维加德系数的铌原子对晶格常数的影响更为显著.在 GH４１６９合金中,γ″相的形核生长主要发生 在 时 效 处 理 的 前 ２h内[１５].由 此 可 知,在应力松弛试验的前２h内,γ″相的快速析出导致
γ基体相中铌原子数量减少,使得 γ基体相的晶格常数减小,试 样 发 生 剧 烈 收 缩.在 应 力 松 弛 试 验２h后,γ″相 析 出 逐 渐 减 少,热 膨 胀 应 变 速 率 也 趋于稳定.
ε??p 的变化主要是由于材料蠕变机制导致的塑性应变在起主导作用.由图７还可以看出,在６２０℃和７２０ ℃下,ε??p 同样在２h后由试验初期的较高水平迅速降低直至稳定.在试验初期,GH４１６９合金的变形抗力较小,易于发生塑性变形,因此ε??
p 较高;随着时间的延长,γ″相的快速析出导致合金不断强化,ε??p 逐渐降低;当时间延长到２h后,γ″相基本析出完毕,ε??p 趋于稳定.
由以上分析结果可知,在６２０ ℃和７２０ ℃应力松弛过程中,保持恒定的总应变可以分为两部分:一是晶格常数减小造成的永久性收缩,由γ″相的析出导致,因而不属于塑性应变;二是由位错滑移及元素扩散引起的塑性应变,这部分应变还受到了γ″相析出引起的时效强化的影响.GH４１６９合金在６２０ ℃保温时的收缩程度高于其塑性应变,收缩在应力松
弛中占据主导地位,合金整体上处于不断收缩状态,为了保持总应变不变,应力反常增大;而在７２０℃下合金的应变收缩量小于其塑性应变,塑性应变在应力松弛中占据主导地位,应力呈正常下降趋势.
此外,合金在５００ ℃下的应力松弛同样出现了收缩以及反常应力松弛和负蠕变应变现象,但在显微组织中没有观察到任何析出相,其收缩可能是由于铌、铝和钛等固溶元素在位错或晶界等晶体缺陷部位上富集而导致的,这需要用３D 原子探针对合金的元素富集效应进行进一步分析以验证.
３ 结 论
(１)在５００ ℃和６２０ ℃应力松弛试验过程中,GH４１６９合金的应力随时间的延长反常增大,在相同温度下的蠕变试验过程中表现为负蠕变应变;而在７２０ ℃下的应力松弛和蠕变行为均正常.
(２)在热膨胀试验过程中,在不同温度下保温时 GH４１６９合金均出现了收缩现象,说明合金中存在着非蠕变机制的收缩效应.
(３)γ″相析出带来的化学成分变化导致γ基体的晶格常数减小,是引起 GH４１６９合金在６２０ ℃下应力反常增大的主要原因.