简介概要

两步退火热处理对Hastelloy C-276合金晶界特征分布的影响

来源期刊：稀有金属2018年第6期

论文作者：张晓宇李德富郭胜利赵宪明

文章页码：608 - 613

关键词：二次退火热处理;Hastelloy C-276合金;晶界特征分布;

摘要：Hastelloy C-276合金经小变形量5%冷轧变形后,分别采用高温一次退火和二次退火两种方式进行热处理,其晶界特征分布采用电子背散射衍射技术进行表征。结果表明,经二次退火热处理后的试样相对于一次退火热处理试样具有更高比例Σ3晶界的产生,通过晶界间相互作用,进而形成较高比例Σ9和Σ27晶界,使得总的Σ3ⁿ晶界比例达到了78.8%。并且这些特殊晶界有效地阻断大角度晶界的连通性,进一步形成大尺寸晶粒团簇组织,使二次退火试样晶界特征分布得到优化。对比分析两种不同热处理制度下的Σ3和Σ9晶界面分布,可知Σ3晶界面分布主要集中在以{111}极点为中心的扩展区域内,Σ9晶界面主要分布在[110]晶带范围内。这两种晶界面由于热处理制度不同,其分布范围也有所不同。由于二次退火产生非共格孪晶Σ3晶界的较多,使得二次退火试样中的Σ3晶界面分布范围大于一次退火,并导致试样中更多Σ9晶界面偏离了<110>取向。

详情信息展示

网络首发时间: 2017-03-16 13:20

稀有金属 2018,42(06),608-613 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy16100022

两步退火热处理对Hastelloy C-276合金晶界特征分布的影响

张晓宇李德富郭胜利赵宪明

北京有色金属研究总院加工事业部

东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室

摘要：

Hastelloy C-276合金经小变形量5%冷轧变形后, 分别采用高温一次退火和二次退火两种方式进行热处理, 其晶界特征分布采用电子背散射衍射技术进行表征。结果表明, 经二次退火热处理后的试样相对于一次退火热处理试样具有更高比例Σ3晶界的产生, 通过晶界间相互作用, 进而形成较高比例Σ9和Σ27晶界, 使得总的Σ3ⁿ晶界比例达到了78.8%。并且这些特殊晶界有效地阻断大角度晶界的连通性, 进一步形成大尺寸晶粒团簇组织, 使二次退火试样晶界特征分布得到优化。对比分析两种不同热处理制度下的Σ3和Σ9晶界面分布, 可知Σ3晶界面分布主要集中在以{111}极点为中心的扩展区域内, Σ9晶界面主要分布在[110]晶带范围内。这两种晶界面由于热处理制度不同, 其分布范围也有所不同。由于二次退火产生非共格孪晶Σ3晶界的较多, 使得二次退火试样中的Σ3晶界面分布范围大于一次退火, 并导致试样中更多Σ9晶界面偏离了<110>取向。

关键词：

二次退火热处理;Hastelloy C-276合金;晶界特征分布;

中图分类号： TG146.15;TG156.2

作者简介：张晓宇 (1985-) , 男, 山西孝义人, 博士, 研究方向:高温合金、晶界工程;E-mail:xy12152006@126.com;;李德富, 教授;电话:010-60662694;E-mail:Lidf@grinm.com;

收稿日期：2016-12-25

基金：国家自然科学基金项目 (50834008) 资助;

Grain Boundary Character Distributions of Hastelloy C-276 Alloy with Two-Step Annealing Heat-Treatment

Zhang Xiaoyu Li Defu Guo Shengli Zhao Xianming

Processing Division, Beijing General Research Institute for Nonferrous Metals

State Key Laboratory of Rolling and Automation, Northeastern University

Abstract：

Hastelloy C-276 samples were cold-rolled with thickness reduction of 5% and employed by one-step annealing and twostep annealing processing to heat-treatment, and their grain boundary character distributions (GBCDs) were characterized by electron back scatter diffraction (EBSD) techniques. The results showed that more Σ3 boundaries were produced in two-step annealing heattreatment sample compared to one-step one. Meanwhile, through the interactions of special boundaries, higher proportions of Σ9 andΣ27 boundaries were formed; the fraction of total Σ3ⁿ boundaries was up to 78. 8%. Those special boundaries contributed to disrupt the connectivity of high angle boundary network and the larger clusters were formed. The grain boundary character distributions of two-step annealing heat-treatment sample were optimized. According to the analysis of Σ3 and Σ9 grain boundary plane distributions by different annealing processes, the relative areas of Σ3 boundary planes were centered on {111} planes and the distributions of grain boundary density planes for Σ9 boundary were centered on [110] zone. Due to the different annealing processes, the relative areas for Σ3 andΣ9 boundaries in both samples were different. The relative areas of Σ3 grain boundary plane distribution in two-step annealing heattreatment sample were larger than those of one-step one. It was due to more incoherent Σ3 boundaries productions, which resulted in more grain boundary plane with orientations of Σ9 were deviated from the reference < 110 > misorientation.

Keyword：

two-step annealing heat-treatment; Hastelloy C-276 alloy; grain boundary character distribution;

Received： 2016-12-25

Hastelloy C-276合金是一种改进的面心立方体低层错能Ni-Cr-Mo合金, 因其具有良好的加工性能, 抗氧化性能和耐腐蚀性能, 被广泛应用于石油、化工和核工业领域当中^[1,2,3,4]。作为第三代核电站AP1000屏蔽套的制造材料^[5,6], 其工作环境要经受冷却剂的侵蚀和辐照损伤, 为了进一步提高其使用性能, 延长服役时间, 可以采用晶界工程优化的方法来提高材料的相关性能。

对于低层错面心立方体结构合金, 采用合理的加工工艺来调整材料中的某些特殊晶界, 如Σ3, Σ9, Σ27等重位点阵晶界, 进而可以改善材料中与晶界相关的性能。这种思想或方法最早是由日本Watanabe^[7]教授提出来, 并在后来发展中形成了晶界工程 (grain boundary engineering, GBE) 的概念。如今已经在镍基合金^[8]、铅合金^[9]、奥氏体不锈钢^[10]等材料中取得一定进展, 并获得很好地应用效果, 如抗晶间腐蚀^[11]、疲劳^[12]、蠕变^[13]等。

对于晶界工程来言, 通常有两种提高特殊晶界比例的方法。其一是采用小变形低温长时间退火;如Crawford和Was^[14]对In600合金进行2%~5%变形后在890~940℃退火1~20 h, 将特殊晶界比例提高了两倍。其二是采用中等变形高温短时间退火, Wang等^[15]采用冷轧30%+270℃/10min退火热处理, 使得铅基合金特殊晶界比例提高到了75%。以上两种方法都可以极大地提高材料中特殊晶界比例。

对特殊晶界来说, 并不是所有的晶界都具有较高抗晶界腐蚀能力, 其中部分晶界相较一般大角度晶界更容易腐蚀, 其原因在于所在晶界面的不同。因而对于晶界面的研究, 可以更为有效地理解和控制特殊晶界。2006年Randle^[16]提出了晶界面工程 (grain boundary plane engineering, GBPE) 或者晶界面分布 (grain boundary plane distribution, GB-PD) 优化概念, 旨在通过特定的加工过程使更多的晶界处于低能稳定的晶界面上, 以改善合金与晶界相关的各种性能。对于晶界面的测定, 通常采用了5参数分析法, 其结果采用晶界面分布强度来表征, 以晶界随机分布时的晶界面分布强度的倍数 (multiple of random distribution, MRD) 来表示。

目前, 针对提高特殊晶界比例的方法, 通常采用的是一次退火热处理。但也出现了先低温长时间退火后进行高温短时间退火的两次退火方法来提高材料的特殊晶界比例。如King和Schwartz^[17]采用此类方法, 成功将无氧铜中的特殊晶界的比例从70%提高到了85%。

因此, 本文将进一步探讨一次退火和二次退火热处理工艺对Hastelloy C-276合金的晶界特征分布影响, 研究其变化规律, 为实际应用提供依据。

1 实验

实验所用材料为商用Hastelloy C-276合金, 其化学成分 (%, 质量分数) 为:Cr 15.07, Mo 15.53, Fe 4.14, W 4.04, Co≤2.5, Mn 0.62, P<0.01, Si<0.08, C 0.012, S 0.002, Ni余量。试样先进行75%冷轧变形, 在1100℃固溶30 min, 得到初始试样 (beginning material, BM) 。将BM进行冷轧5%变形后分为两份, 其中一份采用高温1100℃保温15 min, 一次退火热处理得到样品GBE-T。取得的另一份, 先进行低温1000℃保温5 min接着进行高温1100℃保温15 min两次热处理, 为样品GBE-1。

将退火后的试样先进行金相砂纸研磨, 然后在12 V电压下进行电解抛光, 电解液为80%甲醇+20%硫酸 (体积比) , 获得干净表面。将制得样品通过配有TSL-EBSD (electron backscattered diffraction) 系统的扫描电镜 (SEM, JSM-7001) 进行晶粒取向测定。对3个样品表面800μm×868μm的区域进行步长为1~2μm的逐点扫描, 收集晶体取向信息, 重构晶体取向成像显微图 (OIM) , EBSD取向差设定大于2°为存在晶界, 取向差在2°~15°范围内为小角度晶界。采用Brandon^[18]标准判定重位点阵 (coincidence site lattice, CSL) 晶界类型, 将ΣCSL≤29晶界统称为特殊晶界。

2 结果与讨论

2.1 初始试样显微观察

图1为试样BM的OIM图, 图1中不同灰度线代表不同类型晶界, 其中主要为Σ3, Σ9, Σ27a, Σ27b晶界。从图1中可以看出, 晶粒呈等轴状分布, 平均晶粒尺寸在22μm左右 (将孪晶晶界包括在内) 。晶粒内部存在着平直孪晶晶界, 这些晶界大多贯穿于整个晶粒, 有一小部分终止于晶粒内部。一般认为这些晶界为共格孪晶晶界。根据重合位置点阵模型定义^[19], 此类晶界对应于Σ3晶界。

图1 BM试样的显微OIM图Fig.1 OIM image of grain boundary map for BM sample

2.2 一次退火与二次退火对晶界特征分布的影响

图2为GBE热处理一次退火与二次退火对特殊晶界比例的影响。从图2中可以看出, 一次退火热处理之后GBE-T, Σ3晶界比例为60.2%, Σ9晶界和Σ27晶界比例分别为2%和0.9%, 总的Σ3ⁿ特殊晶界比例为67.1%。二次退火热处理GBE-1, Σ3晶界比例为69%, Σ9晶界和Σ27晶界比例分别为5.7%和2.9%, 总的Σ3ⁿ特殊晶界比例达到了78.8%。二次退火热处理相对于一次退火热处理, Σ3ⁿ晶界提高了11.7%。同时Σ9晶界比例和Σ27晶界比例也相较一次退火热处理提高了近3倍。

就两种不同热处理制度下, 晶界特征分布图, 如图3所示。图3中可以明显看出, 传统的一次退火热处理GBE-T, 如图3 (a) , 晶粒尺寸较大, 晶内大多存在着平直共格孪晶晶界, 未有大量的非共晶晶界存在。而经过二次退火热处理试样GBE-1, 如图3 (b) , 可以明显看出, 晶粒内部存在着大量的非共格孪晶晶界, 根据Wang和Fang等^[20,21]的研究, 这种非共格孪晶晶界一般有两种形态, 一种为弯曲的曲线型孪晶晶界, 通常与共格孪晶晶界相连;另一种为岛状的孪晶晶界, 通常独立存在于晶粒内部。对于这些非共格孪晶晶界, 根据Randle^[22,23]的研究表明, 此类晶界具有较高的自由能, 很容易发生迁移运动, 从而发生Σ3-Σ3-Σ9和Σ3-Σ3-Σ27晶界相互作用。这也是Σ9晶界和Σ27晶界来源问题, 也同时证明了具有较高比例的非共格Σ3晶界, 容易产生较高比例的Σ9和Σ27晶界, 见图2所示结果。

图2 样品GBE-1和GBE-T的CSL晶界比例分布图Fig.2Frequency of CSL grain boundary in Samples GBE-1and GBE-T

大角度晶界连通性是反映晶界特征分布优化结果的重要特征^[24,25]。通过图3 (c, d) 比较可以看出, 传统一次退火大角度晶界连通性相对保持完整, 只在局部位置被特殊晶界所阻断。而二次退火热处理大角度晶界连通性基本被阻断了, 形成了特定的“晶粒团簇”组织, 如图3 (d) 中T区域。此类团簇内部晶粒之间具有Σ3ⁿ取向关系, 并且晶粒组织保持较小的尺寸。

图3 GBE-T和GBE-1样品OIM图及晶界重构图 (黑色粗线代表大角度晶界, 灰色细线代表特殊晶界) Fig.3 OIM of grain boundary map for (a) GBE-T, (b) GBE-1, OIM grain boundary reconstruction for sample, (c) GBE-T, (d) GBE-1 (thin grey lines denoting special boundaries, black lines denoting high angle boundaries)

图4 不同退火热处理后Σ3和Σ9晶界面分布Fig.4 Stereographic projections showing grain boundary plane density distributions in multiples of a random distribution (MRD) , for60°/[111]misorientation (Σ3) section (a, b) and 39°/[110]misorientation (Σ9) section (c, d) in samples by different annealing processes

(a, c) GBE-T; (b, d) GBE-1

为了进一步研究晶界特征分布的变化规律, 将两种不同热处理制度下的Σ3和Σ9晶界面分布进行对比, 如图4所示。从图4 (a) 所示, Σ3晶界面分布主要集中在{111}极点为中心的扩展区域内, 其分布范围相对于二次退火后的Σ3晶界面分布范围较小, 见图4 (b) 。根据方晓英等^[26]研究表明, Σ3晶界面偏离{111}中心距离越大, 说明非共格Σ3晶界比例越高。因此, 从图4 (b) 可以看出, 相较于一次退火热处理, 二次退火热处理的非共格Σ3晶界比例更高, 这也可以从图3 (b) 中观察到。但两者Σ3晶界面分布强度值却十分接近, 由图2可以看出, 两种不同热处理条件下的Σ3晶界比例相差较大, 说明Σ3晶界面分布强度并不代表Σ3晶界比例的高低;另一方面也说明了有大量偏离<111>取向的非共格Σ3晶界的存在。

对比观察Σ9晶界面分布情况, 可以看出Σ9晶界面主要分布在[110]晶带范围内, 二次退火Σ9晶界面分布范围远比一次退火范围大, 说明Σ9晶界面偏离<110>取向轴的比例较高。

根据Rohrer等^[27]研究表明, Σ3-Σ3-Σ9三叉晶界结构中, 当其中一个Σ3晶界面偏离较大时, 会减少对Σ9晶界面的约束, 使其偏离于<110>取向。二次退火试样中有大量的非共格Σ3晶界, 由此会产生较多偏离<110>取向的Σ9晶界面。

稳定的晶界面, 较低的晶界能, 使得特殊晶界具有较高的抗晶间应力腐蚀、晶间裂纹扩展及蠕变的能力。而采用二次退火热处理会获得较高比例特殊晶界, 进一步提高相关材料的性能。因而该方法可以广泛应用于核电材料、石油和化工材料当中, 以延长材料寿命, 确保设备零部件的安全, 对实际生产应用具有重大意义。