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固溶处理对旋压C-276合金超薄管材组织和性能影响

来源期刊：稀有金属2018年第1期

论文作者：刘成刘贤钙张晓宇郭胜利郑弃非李德富

文章页码：45 - 52

关键词：C-276合金;固溶处理;EBSD;晶界特征分布;力学性能;

摘要：采用电子背散射衍射（EBSD）研究了固溶温度对旋压C-276合金超薄壁管材再结晶、晶界特征分布的影响;运用拉伸试验机和扫描电子显微镜（SEM）研究了固溶温度对合金力学性能及断口形貌的影响。结果表明:随固溶温度升高,完全再结晶比率上升;固溶温度为900℃时,合金未充分再结晶,完全再结晶比率为65%;固溶温度为1100℃时,完全再结晶比率达到99.4%。固溶温度高于1000℃时晶粒快速长大,固溶温度达1200℃时,平均晶粒尺寸为77.1μm。随固溶温度升高,Σ3晶界比率呈增高趋势,固溶温度900℃时,Σ3晶界所占比率为30.5%,固溶温度升高到1200℃时,Σ3晶界比率达到57.1%。固溶温度由900℃升高到1200℃,超薄壁管材室温抗拉强度R_m从1256 MPa降低到745 MPa,屈服强度R_p0.2从915 MPa降低到340 MPa,伸长率A_11.3从17.5%上升到65.5%。

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网络首发时间: 2016-07-29 10:51

稀有金属 2018,42(01),45-52 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy16040401

固溶处理对旋压C-276合金超薄管材组织和性能影响

刘成刘贤钙张晓宇郭胜利郑弃非李德富

北京有色金属研究总院国家有色金属复合材料工程技术研究中心

摘要：

采用电子背散射衍射 (EBSD) 研究了固溶温度对旋压C-276合金超薄壁管材再结晶、晶界特征分布的影响;运用拉伸试验机和扫描电子显微镜 (SEM) 研究了固溶温度对合金力学性能及断口形貌的影响。结果表明:随固溶温度升高, 完全再结晶比率上升;固溶温度为900℃时, 合金未充分再结晶, 完全再结晶比率为65%;固溶温度为1100℃时, 完全再结晶比率达到99.4%。固溶温度高于1000℃时晶粒快速长大, 固溶温度达1200℃时, 平均晶粒尺寸为77.1μm。随固溶温度升高, Σ3晶界比率呈增高趋势, 固溶温度900℃时, Σ3晶界所占比率为30.5%, 固溶温度升高到1200℃时, Σ3晶界比率达到57.1%。固溶温度由900℃升高到1200℃, 超薄壁管材室温抗拉强度R_m从1256 MPa降低到745 MPa, 屈服强度R_p0.2从915 MPa降低到340 MPa, 伸长率A_11.3从17.5%上升到65.5%。

关键词：

C-276合金;固溶处理;EBSD;晶界特征分布;力学性能;

中图分类号： TG146.15;TG166

作者简介：刘成 (1990-) , 男, 河北石家庄人, 硕士研究生, 研究方向:难变形材料管材精确成形、复合材料;E-mail:951285231@qq.com;;郭胜利, 高级工程师;电话:13811624788;E-mail:guoshengli007@163.com;

收稿日期：2016-03-21

基金：国家自然科学基金项目 (51205028) 资助;

Microstructure and Properties of Spinning Ultra-Thin Wall C-276 Alloy Tubes with Solution Treatment

Liu Cheng Liu Xiangai Zhang Xiaoyu Guo Shengli Zheng Qifei Li Defu

National Engineering Technology Center for Nonferrous Metal Composites, General Research Institute for Nonferrous Metals

Abstract：

The effect of solution temperature on microstructure and mechanical properties of spinning ultra-thin wall C-276 alloy tubes was investigated by electron backscatter diffraction ( EBSD) , scanning electron microscope ( SEM) and tensile tests. Results showed that recrystallization ratio increased with solution temperature increasing. The recrystallization ratio of sample increased from 65. 0% to 99. 4% with solution temperature increasing from 900 to 1100 ℃. The grain of sample grew up quickly when solution temperature exceeded 1000 ℃. The average grain size of the alloy was 77. 1 μm after solution treatment at 1200 ℃. The results also revealed that increasing solution temperature led to an increase in the proportion of Σ3 grain boundary of sample. With solution temperature increasing from 900 to 1200 ℃, the proportion of Σ3 grain boundary of sample increased from 30. 5% to 57. 1%. Furthermore, with solution temperature increasing from 900 to 1200 ℃, the room temperature tensile strength R_m decreased from 1256 to 745 MPa, the yield strength R₍p0. 2) decreased from 1256 to 745 MPa, and elongation A₍11. 3) increased from 17. 5% to 65. 5%.

Keyword：

C-276 alloy; solution treatment; EBSD; grain boundary character distribution; mechanical properties;

Received： 2016-03-21

Hastelloy C-276 (C-276) 合金是Hastelloy系列合金中的一种, C系列合金为Ni-Cr-Mo合金, 而C-276合金是在Ni-Cr-Mo基础上加入适量的W, Fe等元素得到的一种固溶强化的面心立方结构的合金, 其耐高温和耐腐蚀性能优异。目前, 许多研究者对Hastelloy系列合金进行了研究^[1,2,3,4,5], 包括铸造合金、轧制的板材及粉末冶金热压法制备的Hastelloy型合金等, 且大多集中于耐蚀性能的研究。C-276合金经过多道次旋压, 得到壁厚为0.4mm的超薄壁管材, 超薄壁C-276合金管在极端环境下工作, 直接接触具有腐蚀性的溶液, 承受约210个大气压, 并且一次性设计使用寿命18年, 期间不能破裂, 因此对管材综合性能有严格的要求:有足够的强度, 极好的耐腐蚀性, 良好的塑性等, 以确保其优良的使用性能。通常, C-276合金在多道次旋压成形过程中要进行固溶处理改善其加工性能, 固溶处理后C-276合金在光学显微镜下显示为单相奥氏体组织, 且晶粒内部一般有退火孪晶存在。常采用的固溶处理工艺为 (1160±10) ℃, 保温时间20 min, 水淬。合适的固溶处理工艺除了改善合金加工性能外还能提高退火孪晶 (Σ3) 的比率, 而低ΣCSL (coincidence site lattice, 重位点阵) 晶界比率的提高有利于提高材料的耐腐蚀性能^[6], 同时固溶处理对合金的再结晶及晶粒尺寸有显著影响, 粗化的晶粒会减少晶界的面积和高能的晶界的含量, 从而影响晶界的扩散, 进而影响合金的力学性能。同样, 固溶处理对成形后超薄管的再结晶、ΣCSL (重位点阵) 晶界特征分布及力学性能也具有显著影响, 因此, 必须对固溶温度、微观演变和力学性能之间的关系进行研究。本文对旋压成形的壁厚为0.4 mm超薄管材在不同温度下进行固溶处理, 并分析其再结晶、晶界特征分布和力学性能。

1 实验

1.1 材料

实验材料为C-276合金, 合金成分列于表1。合金在强力旋压机上经过3道次旋压, 道次减薄率25%~35%, 进给率0.6~1.2 mm·r^-1, 总减薄率为80%, 得到壁厚为0.4 mm的超薄壁管材。

1.2 方法

将试样分为4组进行固溶处理, 编号为A, B, C, D。试样A, B, C, D对应固溶温度分别为900, 1000, 1100, 1200℃, 保温时间20 min, 快速水淬。对试样进行机械抛光和电解抛光, 采用电子背散射衍射 (EBSD) 和取向成像显微技术 (OIM) 在800和200倍率下进行扫描。将试样A, B, C, D按国标制备拉伸试样, 每组加工3个。在万能拉伸试验机上进行室温拉伸试验, 拉伸速率0.033 mm·s^-1。测得合金的力学性能, 计算每组的平均值。随后在KYKY-2800扫描电镜 (SEM) 上对拉伸断口进行形貌观察。

表1 C-276合金化学成分Table 1Chemical composition of alloy C-276 (%, mass fraction) 下载原图

表1 C-276合金化学成分Table 1Chemical composition of alloy C-276 (%, mass fraction)

2 结果与讨论

2.1 固溶温度对C-276合金超薄管晶粒尺寸的影响

影响C-276合金超薄管力学性能的因素众多, 其中晶粒尺寸和均匀性是不可忽略的重要影响因素^[7], 而固溶处理工艺可对晶粒尺寸进行有效的调控^[8,9,10]。图1中 (a~d) 所示为试样A, B, C, D的IPF (inverse pole figure, 标准反极图) , 图1 (a~c) 观察倍率为800倍, 图1 (d) 观察倍率为200倍。从图1中可看出固溶温度由900℃升高到1000℃后, 晶粒尺寸略有减小但变化程度不大, 图1 (b) 中晶粒明显比图1 (a) 中更加均匀;此后, 随着固溶温度升高晶粒逐渐长大, 图1 (c) 中晶粒尺寸相比于图1 (b) 中有明显增大;图1 (d) 所示IPF图由于放大倍率较小, 尺寸与图1 (c) 相差不大, 但从标尺可判断当固溶温度为1200℃时, 平均晶粒尺寸约为图1 (c) 中3~4倍。采用EBSD中自带的OMI技术对不同固溶温度下C-276合金超薄管晶粒尺寸进行统计, 得到各试样对应的晶粒尺寸分布图, 如图2所示;统计得到的各试样对应的晶粒平均尺寸分别为7.73, 4.12, 22.54, 77.15μm。绘制出固溶温度对合金平均晶粒尺寸的影响趋势图, 如图3所示。晶粒长大是由于晶界不断向着曲率中心方向迁移, 引起小晶粒消失, 合并成为尺寸更大的大晶粒, 而且晶界迁移过程中会不断平直化, 使晶粒凹面变平尺寸增大。晶界迁移需要满足一定能量条件, 驱动力通常来自总的界面能的降低, 当满足能量条件克服一定势垒后, 上述晶界迁移过程得以实现, 这可以视为一个热激活的过程。晶粒在正常长大过程中, 晶界平均迁移速率与温度呈正相关^[11]所以固溶温度升高, 晶界平均迁移速率加快, 在相同固溶时间条件下晶粒尺寸更大。固溶温度900℃时合金再结晶不充分, 残留有部分原始组织, 这些被拉长的大晶粒原始组织由于再结晶不充分而得到保留^[12,13,14], 所以固溶温度为900℃时平均晶粒尺寸要比固溶温度为1000℃时平均晶粒尺寸稍大。

图1 不同固溶温度下C-276合金的IPF图Fig.1 IPF maps of C-276 alloy at different solution temperatures

(a) 900℃; (b) 1000℃; (c) 1100℃; (d) 1200℃

图2 不同固溶温度下C-276合金的晶粒尺寸统计图Fig.2 Statistical graph of grain size at different solution temperatures

(a) 900℃; (b) 1000℃; (c) 1100℃; (d) 1200℃

图3 固溶温度对C-276合金平均晶粒尺寸的影响Fig.3 Average grain size of C-276 alloy at different solution temperatures

2.2 固溶温度对C-276合金超薄管再结晶的影响

对试样A, B, C, D相邻晶粒取向差进行统计分析, 得到不同固溶温度条件下试样晶粒取向差分布图, 如图4所示。图4 (a) 中有明显的小角度晶界存在, 而图4 (b~d) 中无明显小角度晶界。固溶温度为900℃时C-276合金的极图如图5所示, 极图显示经900℃固溶处理后时合金中无明显织构。而图4 (a) 中小角度晶界所占比率很高, 可认为是存在大量亚晶界所致, 说明固溶温度为900℃时合金未充分再结晶^[15]。再结晶区域分布如图6 (a~d) 所示, 黑色为完全再结晶区域, 白色为未完全再结晶区域, 灰色为未再结晶区域。完全再结晶区域、未完全再结晶区域和未再结晶区域各区域所占比率具体数值列于表2。当固溶温度为900℃时完全再结晶比率为65%, 随着固溶温度升高, 完全再结晶比率呈上升趋势, 固溶温度达1100℃时, 完全再结晶比率达到99.4%, 已充分再结晶。再结晶是一个形核和长大的过程, 静态再结晶形核常见的两种方式为晶界弓出形核和亚晶形核^[16], 亚晶形核机制有亚晶合并机制和亚晶迁移机制两种形式^[17], 晶界弓出形核一般在变形量较小 (小于20%) 时发生, 此次旋压成形变形量高达80%, 显然不属于原有大角度晶界弓出形核。亚晶形核机制通常发生在变形程度大的金属中, 当变形程度大时, 晶体中的位错会不断增值引起位错的缠结从而形成胞状的结构, 在加热的过程中会引起胞状结构发生平直化从而形成亚晶。通常情况下变形程度大且层错能高的金属多以亚晶合并机制进行形核, 而C-276合金为层错能较低的面心立方结构^[18], 这种变形度很大的低层错能金属多以亚晶迁移机制进行形核。由于亚晶界的位错密度较高, 位于亚晶界两侧的亚晶之间有较大的位向差, 晶界能较高, 所以在加热的过程中这些亚晶界很容易发生迁移而逐步转变为大角度晶界, 大角度晶界的迁移率远大于小角度晶界的迁移率, 可以迅速迁移, 迁移过程中会导致路程中的位错被清除, 在它后面留下无畸变的晶体以作为再结晶核心使晶粒长大。固溶温度对再结晶速率影响显著, 进而对再结晶比率有很大影响。

图4 不同固溶温度下C-276合金的晶粒取向差分布图Fig.4 Distributions of misorientation between neighbor grains of C-276 alloy at different solution temperatures

(a) 900℃; (b) 1000℃, (c) 1100℃; (d) 1200℃

图5 固溶温度900℃时C-276合金的极图Fig.5 Pole figure of C-276 alloy with solution temperature of 900℃

图6 不同固溶温度下C-276合金的再结晶区域分布图Fig.6 Distribution of recrystallization region of C-276 alloy at different solution temperatures

(a) 900℃; (b) 1000℃; (c) 1100℃; (d) 1200℃

表2 固溶温度对再结晶体积分数的影响Table 2Recrystallization ratio at different solution tem-peratures 下载原图

表2 固溶温度对再结晶体积分数的影响Table 2Recrystallization ratio at different solution tem-peratures

2.3 固溶温度对C-276合金超薄管ΣCSL晶界的影响

固溶温度为900, 1000, 1100, 1200℃时的OIM图如图7所示, 当固溶温度为900和1000℃时图中有大量平直的和弯曲的Σ3晶界出现, Σ3晶界相遇处有少量Σ9晶界产生, 其他低ΣCSL晶界的比率十分低。当固溶温度达1100℃时, 图7 (c) 中有明显的退火孪晶以平直的直线或双直线的形态出现, 固溶温度为1200℃时退火孪晶大量生成。这些特殊晶界所占比率随固溶温度的变化具体数值列于表3:Σ3晶界比率随固溶温度的增加而增加, 900℃时Σ3所占比率为30.5%, 固溶温度升高到1200℃时, Σ3晶界比率达到57.1%。而Σ9, Σ27晶界在固溶温度为1000℃时比固溶温度为900℃时有少量增加, 固溶温度高于1000℃后, Σ9, Σ27晶界逐渐减少消失。对于面心立方晶体, 在晶粒长大过程中, 满足一定能量条件情况下, 原子层会在晶界角处 (111) 面上发生堆垛层错, 形成一个孪晶界, 在晶界角处形成退火孪晶^[19]。层错能低的晶体容易满足能量条件形成退火孪晶, C-276合金是层错能较低的面心立方结构, 所以容易形成Σ3晶界。弯曲的Σ3晶界可能为非共格的晶界或者其他非对称的Σ3晶界倾侧晶界, 而这些弯曲的晶界能量远高于共格孪晶界^[20], 因此非共格Σ3晶界更易于迁移, 当不断产生的孪晶相遇后, 位于不同{111}面上的孪晶之间有60°的取向差关系, 会形成Σ3ⁿ晶界^[21], 从而衍生出Σ9晶界;同理当衍生出的Σ9晶界和Σ3晶界相遇后又可衍生出Σ27晶界。Σ3共格孪晶界面能低, 比较稳定, 相对难迁移。因此不易于和其他晶界汇合, 导致Σ3晶界派生出的Σ9晶界和Σ27晶界比率减少。由于提高低Σ值 (Σ≤29) 的CSL晶界所占比率有利于提高合金的耐晶间腐蚀性能^[22]。所以, 固溶温度适当升高有利于增强C-276合金的耐腐蚀性能。

图7 不同固溶温度下C-276合金的OIM图Fig.7 OIM maps of C-276 alloy at different solution temperatures

(a) 900℃; (b) 1000℃; (c) 1100℃; (d) 1200℃

表3 固溶温度对试样特殊晶界所占比率的影响Table 3 Effect of solution temperature onΣCSL bounda-ry ratio (%) 下载原图

表3 固溶温度对试样特殊晶界所占比率的影响Table 3 Effect of solution temperature onΣCSL bounda-ry ratio (%)

综合比较完全再结晶比率与Σ3晶界所占比率随固溶温度的变化趋势。发现, 随着固溶温度从900℃升到1200℃, 再结晶比率整体呈上升趋势。Σ3晶界比率随完全再结晶比率升高呈上升趋势, 如图8所示。

2.4 固溶温度对C-276合金超薄管力学性能的影响

拉伸试验所得结果列于表4。固溶温度由900℃升高到1200℃过程中, C-276合金超薄管室温抗拉强度R_m逐渐降低, 从900℃时的1256 MPa降低到1200℃时的745 MPa, 屈服强度R_p0.2也随固溶温度升高而逐渐降低, 从900℃时的915 MPa降低到1200℃时的340 MPa, 而断后伸长率A_11.3随固溶温度升高逐渐上升, 从900℃时的17.5%上升到1200℃时的65.5%。各试样拉断后在SEM上观察得到的断口形貌如图9所示。观察发现, 断口特征都表现为等轴韧窝这是典型的单向拉伸产生的塑性断裂微观特征^{[23,24,25,26]}, 且窝内无明显的成核质点。固溶温度为900℃时断口形貌显示为分布不均的小韧窝, 并且存在少量大韧窝, 大韧窝中包含着若干小韧窝;固溶温度为1000℃时, 断口形貌显示为均匀细小的韧窝;固溶温度为1100℃时, 韧窝明显变大变深, 部分韧窝底部有夹杂物;固溶温度为1200℃时韧窝变的更大更深。在相同断裂条件下, 韧窝越大越深则材料的塑性越好, 所以固溶温度为1200℃时合金塑性最好, 与拉伸试验得到的伸长率结果相符。C-276超薄管在室温下进行旋压成形, 由于旋压是局部加载方式进行塑性变形, 材料内部发生位错运动, 位错不断移动的同时又有新的位错产生, 随变形量的增大, 位错密度不断增加, 导致位错之间相互缠结而形成胞状结构, 晶粒被拉长、破碎并重新排列而纤维化。此次冷旋压变形量高达80%, 加工硬化严重^[27], 当固溶温度为900℃时合金未充分再结晶比率高达35%, 加工硬化未完全消除, 这可能是固溶温度为900℃时合金室温抗拉强度最高的原因。随着再结晶的完成, 合金重新形核长大产生无畸变的新晶粒, 加工硬化现象消除, 影响合金力学性能的主要因素不再是原有的加工硬化, 而是合金本身的组织结构。由于断口特征中未发现明显的第二相粒子和夹杂物, 所以晶粒尺寸和均匀性对合金力学性能起主要作用。固溶温度从1000℃升高到1200℃, 平均晶粒尺寸从4.12μm增大到77.15μm, 晶粒尺寸对合金强度的影响可用著名的Hall-Petch^[28]关系式:

图8 固溶温度对完全再结晶比率和特殊晶界比率的影响Fig.8Recrystallized andΣCSL Boundaries of C-276 alloy at different solution temperatures

表4 固溶温度对C-276合金室温力学性能的影响Table 4 Ambient mechanical properties of C-276 alloy at different solution temperatures 下载原图

表4 固溶温度对C-276合金室温力学性能的影响Table 4 Ambient mechanical properties of C-276 alloy at different solution temperatures

图9 不同固溶温度下的拉伸断口SEM形貌Fig.9 SEM images of tensile fracture of C-276 alloy at different solution temperatures

(a) 900℃; (b) 1000℃; (c) 1100℃; (d) 1200℃

式中, σ_s为屈服强度, σ₀为阻止位错滑移的摩擦力, k为相邻晶粒位向差对位错运动的影响系数, 也可称为晶界阻力, d为晶粒尺寸。多晶体中, 晶粒之间相互制约, 晶粒在变形过程中会受到周围晶粒的牵制, 细化晶粒会产生更多的晶界, 因而需要施加更大的外力才能产生位错塞积, 所以合金的室温强度随着晶粒的细化或者说随着晶界总面积增加而提高。相反, 晶粒粗化合金室温强度降低, 固溶温度超过1000℃后, 随着固溶温度的升高晶粒尺寸不断增大, 合金室温强度逐渐降低, 与拉伸试验结果相吻合。

3 结论

1.固溶温度从900℃升高到1000℃, 平均晶粒尺寸略有减小且晶粒更加均匀, 固溶温度超过1000℃后晶粒快速长大, 平均晶粒尺寸从1000℃时的4.12μm迅速增长到1200℃时的77.15μm。

2.固溶温度从900℃升高到1200℃过程中, 再结晶比率整体呈上升趋势, 固溶温度为1100℃时完全再结晶比率为99.4%, 合金已充分再结晶。Σ3晶界比率随再结晶比率的升高呈上升趋势, 固溶温度为1200℃时Σ3晶界比率达到57.1%。固溶温度从900℃升高到1000℃, Σ9, Σ27晶界比率少量增加, 固溶温度超过1000℃后, Σ9, Σ27晶界逐渐减少。

3.固溶温度从900℃升高到1200℃过程中, 合金室温抗拉伸强度R_m从1256 MPa降低到745 MPa, 屈服强度R_p0.2从915 MPa降低到340 MPa, 断后伸长率A_11.3从17.5%上升到65.5%。断口形貌显示为等轴韧窝, 窝内无明显的第二相粒子和夹杂物, 韧窝随固溶温度升高逐渐变大变深。