分享：静电场处理对GH4169合金中d相析出行为的影响

王磊1, , 安金岚1, 刘杨1, 宋秀1, 胥国华2, 赵光普2

1 东北大学材料各向异性与织构教育部重点实验室, 沈阳 110819
2 钢铁研究总院高温材料研究所, 北京 100081

摘要

关键词： GH4169合金 ; 电场处理 ; d相 ; γ’’相

高温合金在航空发动机、航天推进系统、工业燃气轮机和舰艇动力系统等领域应用广泛, 其发展水平在一定程度上反映了国家科技发展水平、国防能力以及工业水平[1,2]. GH4169[3-5]是一种高合金化的镍基变形高温合金, 在650 ℃以下具有强度高、塑性好, 优异的抗热疲劳、抗氧化, 良好的持久强度等综合性能, 被广泛应用于制造航空发动机、工业燃气轮机的高温结构部件.

GH4169合金主要以细小、弥散分布的γ’’相强化, 研究[6-8]表明, 低温长时时效或高温短时时效过程中, 亚稳相γ’’相均可转化为稳定的d相. 热变形过程中, 当合金晶界分布少量颗粒、短棒状d相时, 可显著影响晶粒尺寸[9-11], 同时d相的存在可降低峰值应变, 促进动态再结晶发生[12]. 合金服役过程中, 适量d相可改善合金的缺口敏感性、提高合金持久性能[6,13], 并且有利于维持疲劳变形过程循环变形抗力[14]等. 然而, 若d相析出过量, 则降低合金基体强度, 疲劳变形过程中裂纹易沿着d相萌生、扩展, 变形抗力降低, 疲劳寿命减少. 因此, 合理、有效控制d相的析出位置、形貌和尺寸对控制合金组织、改善性能具有重要意义.

利用控制合金终锻温度, 对合金进行适当的热处理等手段控制合金中d相析出和长大行为已有广泛研究[5,15], 上述方法能量消耗大、周期长并且不易精确控制. 近年来, 静电场以其能量密度高、可精确控制以及清洁安全等诸多优点[16,17]受到越来越多的关注, 成为除常用的温度场、应力场外的一种重要能量场. 研究[18-21]表明, 静电场处理对合金中晶体缺陷、原子扩散行为、再结晶等均有不同程度的影响. Liu等[22]在对2091Al-Li合金进行均匀化处理的过程中, 施加2 kV/cm静电场后, 基体中大量Li, Mg和Cu原子在样品表面偏聚, 这主要由于合金中产生额外的空位流, 空位或空位溶质原子复合体沿晶界向带电表面迁移而导致. 王尧[21]研究GH4169合金施加静电场过程中, 发现静电场影响合金中Fe和Cr原子的偏聚行为, 同时合金中晶体缺陷密度升高. 合金中晶体缺陷(空位、位错、晶界)、元素扩散行为等是影响固态相变的重要因素. 本研究将静电场应用于GH4169合金时效过程中, 探讨电场时效处理对合金中d相析出行为的影响规律与机理, 为进一步利用静电场技术控制高温合金组织、改善合金性能提供有效依据.

图1   GH4169合金静电场时效处理装置示意图

Fig.1   Schematic of electric field treatment set up for GH4169 alloy

1 实验方法

研究用GH4169合金的化学成分(质量分数, %)为: C 0.031, Fe 18.650, Cr 19.174, Mo 2.960, Al 0.522, Ti 1.030, Nb 5.050, Mn 0.011, P 0.002, B 0.003, Ni余量. 合金经真空感应和真空自耗熔炼, 铸锭经均匀化处理后热轧为板材, 沿轧制方向取40 mm×10 mm×2 mm板状样品. 合金经标准热处理(1050 ℃, 1 h, 空冷; 720 ℃, 8 h, 炉冷, 50 ℃/h速率冷却至620 ℃后, 620 ℃, 8 h, 空冷), 将标准热处理后样品在静电场热处理装置(如图1所示)中进行静电场时效处理(electric field treatment, EFT), 温度为850 ℃, 时间分别为15 min, 1 h, 5 h, 10 h和20 h, 冷却方式为水冷, 电场强度为8 kV/cm. 在箱式电阻炉中进行相同温度、时间的常规时效处理(aging treatment, AT)进行对比.

采用JSM-6510型扫描电子显微镜(SEM)观察合金微观组织形貌, 利用SEM像的定量金相分析方法计算合金中析出相的体积分数. 采用 JEOL-2100F型透射电子显微镜(TEM)及配备的能谱(EDS)对合金中析出相形貌、成分和结构进行表征, 同时进行高分辨透射电镜(HRTEM)分析.

2 研究结果与分析讨论

2.1 静电场时效处理对合金组织演化行为的影响

2.1.1 d相析出及长大行为 GH4169合金经850 ℃常规时效及静电场时效处理后的SEM像如图2所示. 可见, 常规时效处理1 h后, d相以颗粒状、短棒状、针状以及片层状沿合金晶界析出(图2长箭头所示). 随时效时间延长, 晶界析出的颗粒状、短棒状d相不断向晶粒内部生长, 以针状或片层状分布, 同时其体积分数增加. 时效5 h晶内析出颗粒状d相, 随时效时间延长晶内颗粒状d相长大为短棒状、长棒状(图2短箭头所示), 体积分数增加. 随时效时间延长, 晶内d相与晶界d相连接形成长针状、片层状, 贯穿整个晶粒.

图2   GH4169合金在850 ℃经常规时效和静电场时效处理后d相的形貌

Fig.2   Morphologies of d phases in GH4169 superalloy by aging treatment (AT) (a~e) and electric field treatment (EFT) (f~j) for 15 min (a, f), 1 h (b, g), 5 h (c, h), 10 h (d, i) and 20 h (e, j) at 850 ℃ (Long arrows show d phases on the grain boundary, short arrows show d phases inside grain)

合金经静电场时效处理15 min后, 即可见有颗粒状d相在晶界析出. 随时效时间延长, 颗粒状、短棒状d相沿晶界不断析出, 其相互连接沿晶界分布. 同时有部分d相与晶界成一定角度以针状向晶粒内部生长. 与常规时效处理组织对比, 合金经静电场时效处理后d相主要在晶界形核析出, 随时效时间延长, d相主要以细小针状分布析出, d相周围存在明显的无析出带(图3), 且晶内d相析出极少, 如图4所示.

2.1.2 γ’’相析出及长大行为 图5为合金经静电场时效处理后晶内γ’’相形貌. 可见, 静电场时效处理后晶内弥散分布大量圆盘状γ’’相, 随时效时间延长, 合金晶内γ’’相尺寸增大、体积分数增加. 静电场时效处理5, 10和20 h后, 晶内γ’’相体积分数分别为19.49%, 23.11%和26.53%. 图6所示为常规时效及静电场时效处理后晶内γ’’相的TEM像. 可见, 合金在常规时效处理10 h后晶内有极少量γ’’相, 合金经静电场时效处理10和20 h后晶内均弥散分布大量γ’’相.

2.2 静电场处理对合金中d相析出长大行为的影响机理

GH4169合金中d相有2种析出方式, 即晶界非匀质形核与晶内析出, 晶内析出主要指亚稳γ’’相转变为稳定d相. GH4169合金在高温服役过程中, γ’’相不断长大、聚集, 进而转化为d相. 研究[23,24]表明, γ’’相与基体γ相间的共格畸变是γ’’相转变为d相的主要驱动力. γ’’相自晶内析出的同时产生较大共格畸变, 随时效时间延长, γ’’相尺寸增大, 其与基体γ相间共格畸变程度加剧. 这导致在γ’’相(112)密排面上出现错排, 进一步在γ’’相中形成层错, 转变为d相.

前期研究[21]表明, 相同温度、相同时效时间, GH4169合金经静电场时效处理后, 与常规时效处理后合金相比, 合金中平均正电子湮没寿命增加6%~7%, 合金中平均空位浓度升高, 单空位浓度降低而空位团簇浓度升高, 平均空位尺寸增大.

图3   GH4169合金在850 ℃静电场时效20 h后d相的形貌

Fig.3   Morphology of d phase in GH4169 superalloy by EFT at 850 ℃ for 20 h (PFZ—precipitate free zone)

扩散型固态相变过程中, 原子的迁移大多须借助晶体缺陷实现. 合金空位浓度升高, 促进空位式扩散的进行, 增加新相非匀质形核几率. 由表1所示TEM的EDS分析结果可见, 与常规时效处理相比, 合金经静电场时效处理后晶界d相中Nb原子分数降低, Fe和Cr原子分数升高. 由于Fe和Cr 原子半径均小于Nb原子半径[25], 静电场时效处理过程中, 合金中空位浓度升高, Fe和Cr原子较Nb原子更容易以空位式扩散方式扩散至晶界, 置换晶界d相中Nb原子. 由d相单胞结构可知Nb原子位于单胞c轴和体心位置, 当Nb原子被比其原子半径小的Fe和Cr原子取代后, c轴会缩短. 根据静电场时效处理与常规时效处理后合金晶界d相的TEM衍射斑点, 计算其晶格常数并列于表2中. 可知, 相同时效时间, 与常规时效处理后合金晶界d相晶格常数相比, 静电场时效处理后晶界d相晶格常数a和b轴增大、c轴减小. 由此表明, 合金经静电场时效处理后, 静电场促进合金中Fe和Cr原子扩散, 并置换晶界d相中的Nb原子, 大量Nb原子固溶于晶内, 同时合金中空位浓度升高, 增加γ’’相非匀质形核几率, 晶内补充析出了γ’’相.

图4   GH4169合金在850 ℃时效处理d相体积分数随时效时间的变化

Fig.4   Variation of volume fraction of d phase in GH4169 superalloy aged at 850 ℃ for different times

图5   GH4169合金在850 ℃经静电场时效处理后晶内γ’’相的形貌

Fig.5   Morphologies of γ’’ phase inside grains in GH4169 superalloy by EFT at 850 ℃ for 5 h (a), 10 h (b) and 20 h (c)

图6   GH4169合金在850 ℃时效处理后γ″相的形貌

Fig.6   Morphologies of γ″ phase inside grains in GH4169 superalloy by AT at 850 ℃ for 10 h (a), EFT at 850 ℃ for 10 h (b) and 20 h (c) (Inset in Fig.6c shows the SAED pattern)

随静电场时效时间延长, 合金中γ’’相尺寸增大, 理论上其与基体共格畸变程度加剧. 静电场处理合金形成的高浓度空位, 易于构成空位-溶质原子复合体以降低体系畸变能, 因而γ’’相与基体γ相间共格畸变程度降低. 图7a为GH4169合金经静电场时效处理20 h后γ’’相的TEM像, 对γ’’相及基体进行选区HRTEM分析, 见图7b. 由图可知, 经静电场时效处理后, 合金中γ’’相与基体γ相完全共格, γ’’相内未见层错出现. 可见静电场时效处理有效抑制了合金中γ’’相向d相转变, γ’’相稳定存在于晶内, 增加了强化相的稳定性.

图7   GH4169合金在850 ℃经静电场时效处理20 h后γ’’相TEM像及选区的HRTEM像

Fig.7   TEM image of γ’’ phases in GH4169 superalloy by EFT at 850 ℃ for 20 h (a) and the HRTEM image of the regions denoted by circle in Fig.7a (b)

综上所述, 合金经静电场时效处理后晶内补充析出γ’’相, 同时静电场抑制γ’’相向d相转变.

3 结论

(1) GH4169合金经静电场时效处理后, d相先于常规时效处理在晶界析出, 静电场时效处理加快了合金中d相析出速度.

(2) GH4169合金经静电场时效处理后, 随时效时间延长, 合金中d相尺寸增大、体积分数增加. 与常规时效处理相比, 静电场时效处理后合金晶内d相析出量降低, d相主要沿晶界分布, 晶界d相中Nb原子含量降低, Fe和Cr原子含量升高, 并且晶界d相晶格常数c减小、a和b增大; 晶内弥散分布大量γ’’相.

(3) GH4169合金经静电场时效处理, 合金中γ’’相向d相转变受到抑制, γ’’强化相的稳定性得到提高. 其原因归结于静电场时效处理使合金生成了高浓度空位, 首先, 加速了合金中Fe和Cr原子以空位式扩散机制扩散, 置换晶界d相中Nb原子, Nb原子优先固溶入晶内; 其次, 增加了γ’’相非匀质形核几率, 促进γ’’相析出; 再者, 松弛了γ’’相与基体γ相的共格畸变, 降低了γ’’→d相变的驱动力.