网络首发时间: 2013-12-27 14:35
稀有金属 2014,38(05),786-792 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2014.05.008
时效处理对热连轧GH4169合金组织及晶格常数的影响
李振荣 马春蕾 田素贵 陈礼清 刘相华
辽宁大学轻型产业学院
沈阳工业大学材料科学与工程学院
东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室
摘 要：
采用透射电镜 (TEM) 对时效处理热连轧GH4169合金的组织形貌进行观察, 并采用X射线衍射物相分析 (XRD) , 运用Origin PFM软件和公式进行晶格常数测定, 研究时效处理对GH4169变形高温合金组织结构与晶格常数的影响。结果表明, 热连轧GH4169合金的组织主要由γ基体、γ'和γ″相组成, 3相的体积分数分别为50%, 45%和5%;经直接时效和长期时效处理后, 合金中的γ基体的体积分数基本保持不变, γ'相的体积分数逐渐减小到26%和19%, 而γ″相的体积分数逐渐增加到24%和31%, 且γ'和γ″相分别以粒状和枣核状的形式镶嵌在γ基体中。X射线衍射分析表明, 热连轧GH4169合金中γ, γ'和γ″相具有较大晶格常数, 经直接和长期时效后, 各相的晶格常数略有减小, HCR合金经直接时效和长期时效后, 合金中γ和γ'相的晶格错配度分别由0.2910%增大至0.3827%和0.3639%, 同时, γ″相与γ相的晶格错配度分别由0.1082%增大到0.1583%和0.1501%。
关键词：
热连轧GH4169合金;时效处理;组织;晶格常数;
中图分类号： TG156.92;TG132.3
作者简介：李振荣 (1962-) , 女, 博士, 教授, 研究方向:耐热材料的组织与性能研究;电话:13704013657;E-mail:lzr621206@126.com;
收稿日期：2013-08-16
基金：国家自然科学基金项目 (50634030);辽宁省自然基金项目 (201202087) 资助;
Microstructure and Lattice Parameters of Hot Continuous Rolling GH4169 Alloy by Different Aging Treatment
Li Zhenrong Ma Chunlei Tian Sugui Chen Liqing Liu Xianghua
College of Light Industry, Liaoning University
School of Materials Science and Engineering, Shenyang University of Technology
State Key Laboratory of Rolling and Automation, Northeastern University
Abstract：
Microstructure of hot continuous rolling GH4169 alloy aging treatment was observed using transmission electron microscope ( TEM) , and the phases were analyzed using X-ray diffraction ( XRD) . The lattice constant was measured using Origin PFM software and formula, the effects of aging treatment on microstructure and lattice parameters of GH4169 wrought superalloys were investigated.The results showed that the microstructure of GH4169 alloy mainly consisted of γ, γ' and γ″ phases with volume fractions of 50%, 45% and 5%, respectively. After direct aging and long-term aging treatment, the content of γ matrix had no change, and the volume fraction of γ' phase decreased to 26% and 19% gradually, and that of γ″ phase in the alloy increased to 24% and 31%. Thereinto, the γ' and γ″ phases in the alloy displayed as the particle-like and jujube-stone in the matrix. The XRD analysis indicated that the lattice parameters of γ, γ' and γ″ phases were bigger in the hot continuous rolling GH4169 alloy, and decreased slightly after direct aging and long-term aging treatment. And after direct aging and long-term aging treatments, the lattice misfits of γ' and γ phases in the alloy and increased from 0. 2910% to 0. 3827% and 0. 3639% respectively, at the same time, the lattice misfits of γ″ and γ phases in the alloy increased from 0. 1082% to 0. 1583% and 0. 1501%.
Keyword：
hot continuous rolling GH4169 alloy; aging treatment; microstructure; lattice parameters;
Received： 2013-08-16
由于GH4169变形高温合金具有良好的抗热疲劳、抗氧化、热加工性能, 并在650℃具有较好的综合力学性能, 被广泛应用于制作航空发动机的气压机轴、涡轮盘等热端部件[1,2]。等温锻造是GH4169合金普遍采用的制备工艺, 与其相比, 热连轧技术生产镍基高温合金是一种新工艺的尝试, 具有工艺流程短、能耗及生产成本低等特点;在热连轧期间合金的形变量较大, 如果能利用该技术制备合金, 增加形变强化程度, 达到改善合金组织与性能的作用, 将对变形高温合金的发展与应用具有极大地推进作用[3,4]。
热连轧GH4169镍基高温合金的组织主要由γ基体、γ″, γ'相及碳化物组成[5,6], 其中, γ'和γ″相为合金的主要强化相, 且γ'-Ni3Al相具有Ll2有序结构, 呈现粒状或立方体形态, 并与基体保持共格界面[7,8], 而γ″-Ni3Nb具有DO22型体心四方结构, 呈现枣核状形态[9]。经不同工艺热处理后, GH4169合金可获得不同的组织结构, 且γ'和γ″相具有不同的体积分数和形态[10,11], 以及不同的晶格常数及错配度, 故合金具有不同的力学性能和蠕变性能[12,13]。尽管热处理工艺对合金组织结构及蠕变性能的影响已有文献[14-15]报道, 但热处理对GH4169合金中析出相的晶格常数及其错配度的影响并不清楚。
据此, 本文对热连轧GH4169合金进行不同工艺热处理, 组织形貌观察及晶格常数计算, 研究热处理工艺对GH4169合金组织结构及晶格常数的影响, 试图为合金的发展提供理论依据。
1 实验
真空感应炉熔炼的GH4169合金经热连轧工艺制成棒材, 在轧制过程中, 开始轧制温度为1100℃, 终轧温度为1070℃, 经水冷却至室温, 成为热连轧态合金 (HCR合金) 。GH4169合金的化学成分如表1所示。对热连轧GH4169合金进行不同工艺热处理, 选取的热处理工艺如下: (1) 直接时效处理:热连轧GH4169合金经720℃保温8 h, 随后, 以50℃·h-1的冷速随炉冷却至620℃保温8 h后空冷, 称为DA-GH4169合金; (2) 长期时效处理:热连轧GH4169合金直接时效后, 在680℃保温300 h后空冷, 称为LTA-GH4169合金。
表1 GH4169合金的化学成分 (%, 质量分数) Table 1Chemical composition of GH4169 alloy (%, mass fraction) 下载原图
表1 GH4169合金的化学成分 (%, 质量分数) Table 1Chemical composition of GH4169 alloy (%, mass fraction)
经不同工艺热处理合金, 放入 (NH4) 2SO4+柠檬酸的电解液中, 在0℃及50 m A·cm-2的条件下进行电解分离, 进而从电解萃取获得γ'和γ″相, 可确定γ相质量分数和体积分数;同时, 根据γ'和γ″相具有不同的形态特征, 通过Image-Pro Plus软件对不同热处理合金的TEM组织形貌进行图像分析, 从而确定合金中的γ'和γ″相的体积分数。
在室温条件下, 对不同热处理合金进行XRD衍射谱线测定, 确定出合金析出相的衍射峰及所属晶面, 并从中选取3相叠加的局部衍射峰, 通过Origin PFM软件对合金各析出相进行分峰拟合, 之后, 根据公式 (1) 求出晶面间距, 根据选定晶面的晶面间距与晶格常数之间的关系 (如公式 (2) ) , 可求出γ', γ两相的晶格常数, 由于γ″相具有四方结构 (a=b≠c) , 利用公式 (3) 可求出γ″相的晶格常数。在X射线衍射谱线测定中, 使用Cu靶, 其波长λ=0.154056 nm。
式中, h, k, l为晶面指数, θ为衍射角, a, c为晶格常数, d为晶面间距。
2 结果
2.1 热处理对GH4169合金组织的影响
热连轧GH4169合金经不同工艺热处理后, 分别经电解萃取, 可测定不同热处理GH4169合金的γ相的体积分数约为50.0%, 其相应的TEM微观形貌如图1所示。其中, 图1 (a) 为热连轧 (HCR) 合金的微观组织形貌, 可以看出, 细小γ'相在合金中弥散析出, 通过Image-Pro Plus软件进行图像分析, 测算出合金中γ'和γ″相的体积分数分别约为45.0%和5.0%。
图1 不同工艺热处理态合金中γ', γ″两相的微观形貌Fig.1 Morphologies ofγ', γ″phases in alloys treated by different regimes (a) HCR; (b) HCR+DA; (c) HCR+LTA
HCR合金经直接时效处理 (DA) 后, 在合金中析出γ'和γ″相的形貌如图1 (b) 所示, 可以看出, 合金中部分γ'相转化为γ″相, 使细小γ'相的数量减少至约为26.0%, 同时, 在晶内析出细小、弥散分布的γ″相, 其体积分数含量增大至约为24.0%。HCR合金经长期时效后的TEM微观形貌, 如图1 (c) 所示, 可以看出, γ″相的形态呈现枣核状, 如图1 (c) 中白色箭头所示, 且尺寸较大, 相应测出其体积分数约为31.0%, 而γ'相呈圆形颗粒或正方形, 如图1 (c) 中黑色箭头所示, 其体积分数约为19.0%。
2.2 合金的衍射峰及峰分离
经不同热处理后的热连轧GH4169合金在室温测定出的X射线谱线, 如图2所示, 谱线 (1) 和 (2) 分别为直接时效和长期时效合金的衍射谱线, 可以看出, 热连轧合金经不同热处理后的各相衍射峰位置相同, 而相应衍射峰的衍射强度略有差异, 并可鉴定出合金主要由γ基体、γ'-Ni3[Al, Ti], γ″-Ni3Nb相和少量MC碳化物组成。同时, 合金中γ, γ'和γ″相的3相叠加衍射峰中的各相晶面指数如图2所示。
根据图1 (a) 的组织分析表明:合金中γ, γ'和γ″相有不同的体积分数, 因此, 在X射线衍射峰中, γ, γ'和γ″相会产生不同的衍射强度。其中, 合金中γ相的体积分数较高, 约为50.0%, 致使衍射峰中γ相的衍射峰强度较高, γ'和γ″相的体积分数较小, 分别为45.0%和5.0%, 故衍射峰强度较弱。根据γ, γ'和γ″各相体积分数的合成衍射峰, 进行峰分离后, 将γ, γ'和γ″各相的分离峰曲线分别置于合成峰之下, 如图3 (b) 所示, 具有较高强度的γ相衍射峰位于曲线的右侧, 具有较弱强度的γ'和γ″相衍射峰分别位于曲线的左侧, 表明:与γ相的晶格常数相比, γ'和γ″相具有较大的晶格常数。峰分离后γ相衍射峰对应的角度为74.42762°, 当按照图3 (b) 中分离衍射峰计算时, 若测量误差为Δθ=±0.05°, 则晶格常数的测量值变化为±0.00019 nm, 表明在晶格常数测算时有较少的误差。
图2 热连轧GH4169合金在室温测定的X射线衍射谱线Fig.2 XRD patterns of hot continuons rolling HCR-GH4169 at room temperature
图3 热连轧GH4169合金的X射线衍射图谱Fig.3 XRD patterns of HCR-GH4169 alloy
(a) XRD patterns; (b) Separating curves of XRD patterns
根据图3 (b) 中分离的衍射峰, 分别测算出, 热连轧GH4169合金中γ, γ'和γ″相的晶格常数, 分别为aγ=0.36025 nm, 
, 而由于γ″相为四方结构, 测得γ″相的晶格常数
, 其晶格错配度分别为
2.3 热处理对晶格常数与错配度的影响
HCR合金经直接时效 (DA) 和长期时效 (LTA) 后, 在室温分别测出HCR态、HCR+DA态和HCR+LTA态合金的X射线衍射谱线, 将其局部衍射峰分别置于图4中的上、中、下部。可以看出, HCR合金经直接时效后, 由于合金中部分γ'相转化γ″相, 使γ'和γ″两相的体积分数相近, 致使直接时效态合金的合成峰宽度增大, 如图4 (b) 所示;而经长期时效后, γ'的体积分数进一步减小, γ″的体积分数增加, 其合成衍射峰的宽度进一步增大, 如图4 (c) 所示。表明, 合金经不同工艺时效处理后, 合金中γ'和γ″两相发生相互转变, 使两相具有相近的体积分数, 故合金的合成衍射峰宽度发生变化。
图4 HCR合金经直接时效和长期时效处理后测定的X射线合成衍射峰及分离谱线Fig.4XRD patterns and convolution curves of GH4169 alloy after HCR, DA and LTA treatment
(a) HCR alloy; (b) HCR+DA alloy; (c) HCR+LTA alloy
不同工艺热处理合金中γ, γ'和γ″各相的合成衍射峰经分离后, 其各自衍射峰分别置于合金的合成衍射峰之内, 根据各自衍射角分别计算出HCR态、DA态和LTA态合金中各相的晶格常数和晶格错配度如表2所示。可以看出, 热连轧态合金经直接时效后, 合金中γ和γ'两相的晶格常数分别从0.36025和0.36130 nm减小到0.35987和0.36125 nm;经长期时效后, γ和γ'两相的晶格常数进一步减小至0.35938和0.36069 nm, 同时, γ″相的晶格常数也逐渐减小 (经直接时效后aγ″=bγ″减小至0.36044 nm, cγ″减小至0.73530 nm;长期时效后aγ″=bγ″减小至0.35992 nm, cγ″进一步减小至0.73424 nm) ;此外, HCR合金经直接时效和长期时效后, 合金中γ和γ'相的晶格错配度分别由0.2910%增大至0.3827%和0.3639%, 同时, γ″相与γ相的晶格错配度逐渐增大, 而γ″与γ'相的晶格错配度由0.1829%先增大至0.2245% (直接时效态合金) 后减小至0.2137% (长期时效态合金) 。表明, 合金经直接时效及长期时效后, 元素发生重新分配, 使合金中γ'相的体积分数逐渐减少, γ″相的体积分数增加, 致使γ, γ'和γ″各相的晶格常数均逐渐减小。
3 讨论
在初始轧制温度为1100℃和终轧温度为1070℃条件下, GH4169合金在轧制期间经受较大的塑性变形, 致使合金中存在较大的晶格应变及残余应力, 在冷却过程中, 由于应力诱导作用, 促使大量γ'相在合金中弥散析出, 并与γ基体保持共格界面, 如图1 (a) 所示, 同时仅有少量γ″相弥散析出。HCR-GH4169合金经720和620℃直接时效处理期间, 合金中元素经重新分布, 使γ'相充分析出及合金中部分γ'相转化为γ″相, 并在合金中弥散分布。XRD分析表明, 合金中γ'和γ″相以共格方式存在于γ基体中, 如图1 (b) 所示;经680℃时效300 h后, 由于合金元素得到充分扩散, 使合金中部分γ'相进一步转化为γ″相, 此时, γ'相的体积分数明显减少, 而γ″相体积分数增多, 且γ″相呈枣核状, 其轮廓清晰可见, 如图1 (c) 所示。
由于γ″相的惯习面为{100}晶面族, γ″相与γ相的取向关系为
, 即γ″相可分别沿γ相的{100}面共格析出。XRD分析表明γ″相在局部衍射角范围内 (73.0°~75.5°) 为 (060) 晶面, 属于{100}晶面族。分析认为, 合金在不同工艺热处理过程中, γ″相在与γ相 (010) 晶面平行的 (060) 晶面共格析出;同时, 由合金中析出相点阵常数的计算结果表明, γ″相的a和b轴方向的点阵常数较小, 与γ和γ'相的点阵常数相近, 故γ″相在{100}晶面上与γ和γ'相具有较小的晶格错配度, 可保持共格界面;相比之下, γ″相c轴方向的点阵常数较大, 约为其a和b轴的2倍, 因此, γ和γ'相与沿c轴方向生长的γ″相界面为非共格界面, 是致使γ″相沿c轴方向生长为枣核状形态的主要原因。此外, 在热处理过程中, 由于合金元素 (Nb, Ti, Al等元素) 的充分扩散和重新分配, 因此, 经不同工艺热处理合金具有不同的晶格错配度和晶格应变。
表2 在室温经不同热处理合金中γ, γ'和γ″各相的晶格常数与晶格错配度Table 2 Lattice parameters and misfit ofγ, γ'andγ″phases in GH4169 alloy after different heat treatments at room tem-perature 下载原图
表2 在室温经不同热处理合金中γ, γ'和γ″各相的晶格常数与晶格错配度Table 2 Lattice parameters and misfit ofγ, γ'andγ″phases in GH4169 alloy after different heat treatments at room tem-perature
4 结论
1.GH4169合金主要由γ, γ'和γ″相组成, 经直接时效和长期时效后, 合金中γ相体积分数基本保持不变, γ'相体积分数逐渐减小, 而γ″相的体积分数逐渐增加, 其中, γ'相以粒状形式存在, 而γ″相以枣核状在γ基体中析出。
2.XRD分析表明, 热连轧GH4169合金中γ, γ'和γ″相具有较大的晶格常数, 经直接时效和长期时效后, 合金中γ, γ'和γ″各相晶格常数略有减小, 且其晶格错配度也发生较大的变化。
参考文献
[1] Ning Y Q, Fu M W, Chen X.Hot deformation behavior of GH4169 superalloy associated with stickδphase dissolution during isothermal compression process[J].Mater.Sci.Eng.A, 2012, 540 (1) :164.
[2] Wang Z T, Zhang S H.Kinematics and dynamics model of GH4169 alloy for thermal deformation[J].Journal of Iron and Steel Research International, 2010, 17 (7) :75.
[3] Wang J, Dong J X, Zhang M C, Zheng L.Post-dynamic softening behavior of nickel-base corrosion resistant alloy G3[J].Forging&Stamping Technology, 2012, 37 (2) :143. (王珏, 董建新, 张麦仓, 郑磊.镍基耐蚀合金G3后动态再结晶行为研究[J].锻压技术, 2012, 37 (2) :143.)
[4] Lars Bernspng, Hammam T, Mattiasson K, Schedin E, Melander A, Samuelsson A.Verification of an explicit finite-element code for the simulation of the press forming of rectangular boxes of coated sheet steels[J].Journal of Materials Processing Technology, 1993, 39 (3-4) :431.
[5] Nowotnik A, Sieniawski J, Mrowka-Nowotnik G.Identification of dynamically precipitated phases in hot-working Inconel 718 alloy[J].Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, 2008, 31 (2) :275.
[6] Xie X S, Dong J X, Fu S H, Zhang M C.Research and development ofγ″andγ'strengthened Ni-Fe base superalloy GH4169[J].Acta Metallurgica Sinica, 2010, 46 (11) :1289. (谢锡善, 董建新, 付书红, 张麦仓.γ″和γ'相强化的Ni-Fe基高温合金GH4169的研究与发展[J].金属学报, 2010, 46 (11) :1289.)
[7] Ecob R C, Ricks R A, Porter A J.The measurement of precipitate/matrix lattice mismatch in nickel-based superalloys[J].Scripta Metall., 1988, 16 (9) :1085.
[8] Mukherji D, Gilles R, Barbier B, Genovese D D, Hasse B, Strunz P, Wroblewski T, Fuess H, Rosler J.Lattice misfit measurement in Inconel 706 containing coherentγ'andγ″precipitates[J].Scripta Mater., 2003, 48 (4) :333.
[9] Kong Y H, Li L, Chen G S, Zhu S G.Effect of different heat treatment on microstructures and properties of GH4169 alloy[J].Rare Metal Materials and Engineering, 2010, 39 (S) :472. (孔永华, 李龙, 陈国胜, 朱世根.不同热处理工艺对GH4169合金组织与性能的影响[J].稀有金属材料与工程, 2010, 39 (增刊) :472.)
[10] Yuan H P, Li Z N, Zhao X S, Wang S M, Liu X P, Jiang L J.Effect of heat treatment on structure and properties of Nd-Mg-Ni-system hydrogen storage electrode alloys[J].Chinese Journal of Rare Metals 2013, 37 (3) :341. (苑慧萍, 李志念, 赵旭山, 王树茂, 刘晓鹏, 蒋利军.热处理对Nd-Mg-Ni储氢合金结构和性能的影响[J].稀有金属, 2013, 37 (3) :341.
[11] Liu Y, Wang L, He S S, Feng F, LüX D, Zhang B J.Effect of long-term aging on dynamic tensile deformation behavior of GH4169 alloy[J].Acta Metallurgica Sinica, 2012, 48 (1) :49. (刘杨, 王磊, 何思斯, 冯飞, 吕旭东, 张北江.长期时效对GH4169合金动态拉伸变形行为的影响[J].金属学报, 2012, 48 (1) :49.)
[12] Liu Y, Zhu B H, Zhang Y A, Li X W, Liu H W, Xiong B Q.Homogenization treatment and microstructure of high-strength and high-toughness 7449 aluminum alloy[J].Chinese Journal of Rare Metals, 2012, 36 (4) :529. (刘英, 朱宝宏, 张永安, 李锡武, 刘红伟, 熊柏青.7449高强韧铝合金均匀化热处理及微观组织演变[J].稀有金属, 2012, 36 (4) :529.)
[13] Tian S G, Zhao Z G, Chen L Q, Yu H C, Liu Y, Bao X Y, Liu X H.Influence of direct aged treatment on creep behaviors of hot continuous rolling GH4169 superalloy[J].Journal of Aeronautical Materials, 2010, 30 (S) :14. (田素贵, 赵忠刚, 陈礼清, 于慧臣, 刘洋, 包宪宇, 刘相华.直接时效处理对热连轧GH4169合金蠕变行为的影响[J].航空材料学报, 2010, 30 (5) :14.)
[14] Tian S G, Li Z R, Zhao Z G, Chen L Q, Sun W R, Liu X H.Influence of deformation level on microstructure and creep behavior of GH4169 alloy[J].Mater.Sci.Eng.A, 2012, 550:235.
[15] Li Z R, Tian S G, Zhao Z G, Cheng L Q, Liu X H.Influence of hot continuous rolling on creep behaviors of GH4169 superalloy[J].Chinese Journal of Nonferrous Metal, 2011, 21 (7) :1541. (李振荣, 田素贵, 赵忠刚, 陈礼清, 刘相华.热连轧对GH4169合金蠕变行为的影响[J].中国有色金属学报, 2011, 21 (7) :1541.)
[16] Dong J X, Xie X S.Main phase analysis GH4169 was investigated[J].Ordnance Material Science and Engineering, 1993, 16 (2) :50. (董建新, 谢锡善.GH4169主要相分析[J].兵器材料科学与工程, 1993, 16 (2) :50.)
