稀有金属 2012,36(06),864-869
V-5Cr-5Ti合金的显微组织演变研究
胡晓康 李增德 林晨光 崔舜
北京有色金属研究总院粉末冶金及特种材料研究所
摘 要:
采用金相显微镜及扫描电镜对VAR法制备V-5Cr-5Ti合金样品进行显微组织观察。观察分析了V-5Cr-5Ti合金铸锭、均匀化热处理、塑性变形及再结晶热处理对合金显微组织的影响,特别对合金中生成第二相的演变规律进行了研究。研究发现,V-5Cr-5Ti合金铸锭中的第二相为薄片状,紧密排列呈不规则曲线。铸态第二相具有热稳定的相结构,其分布与合金基体存在一定的择优取向,通过片状第二相之间的取向关系表现出来。1100℃保温2 h均匀化热处理后,第二相的数量和分布发生变化,但不能完全消除。加工过程中合金表现出良好的可加工性能,第二相的偏聚导致合金硬化区的存在,不利于合金的均匀变形,加大变形量(>60%)有助于消除这一影响。变形过程中第二相不发生弹/塑性变形,变形量较大(>80%)时发生破碎,形成细小的颗粒状第二相。变形合金经过800℃保温1 h处理后组织中出现了再结晶的形核,1000℃保温1 h处理后基体中发现了晶粒的长大。第二相的存在提高了合金的再结晶能垒,使其分布区域的再结晶过程滞后于合金基体,导致细晶带的产生,有利于合金的高温力学性能。
关键词:
显微组织 ;第二相 ;位错 ;亚稳态 ;
中图分类号: TG131
作者简介: 胡晓康(1986-),男,湖南常德人,硕士研究生;研究方向:核材料; 崔舜(E-mail:cuis@grinm.com);
收稿日期: 2011-12-15
基金: 国家科技部863计划资助项目(2006AA03A220);
Microstructure Evolution of V-5Cr-5Ti Alloy
Abstract:
V-5Cr-5Ti alloy ingot was made by VAR method.Samples were taken after uniform heat treated,followed by cold working and recrystallizing heat treatment.OM and SEM were used to study the microstructure of the treated alloy.Precipitates evolution during the processes was studied especially.The results showed that the precipitates,which existed one close another and made up fortuitous lines in the ingot,appeared to be plates.The plates had a certain phase structure with thermal stability,and had a certain orientation relationship to the base metal,which expressed by the orientation relationship among the plates.Uniform heat treatment had a single effect to the number and distribution of the plates while the plates could not be extinguished.The alloy showed well plastic property during cold working.There were hard areas,where precipitates gathered and blocked the deformation uniformity,existed when the deformation rate was low.To increase the deformation rate could cancel the hard areas(>60%).The precipitates,which could never be deformed while cold working,broke to fine grains with the increase of deformation rate(>80%).Nucleation was discovered in the microstructure of deformed alloy treated with a 800 ℃ heat treatment for an hour,while grains growth were found at 1000 ℃.The precipitates increased the energy barrier of recrystallization,blocked the recrystallization,and leaded to a team formation of fine grain bands,which would benefit the mechanical behavior of the alloy under high temperature.
Keyword:
microstructure;precipitate;dislocation;metastable state;
Received: 2011-12-15
V-Cr-Ti系合金是目前最具前景的聚变反应堆用候选结构材料
[1 ]
。 与其他候选结构材料相比, V(4-5)Cr(4-5)Ti合金具备优良的中子辐照低活化特性、 稳定的高温性能、 耐液态金属腐蚀、 抗中子辐照肿胀等特性
[2 ,3 ,4 ]
。 近年来, 在ITER的推动下, V-Cr-Ti系合金的研究取得了显著的进展, 国外已经对V-4Cr-4Ti合金开始了初步应用
[5 ]
。 由于国内对V-Cr-Ti系合金的研究起步较晚, 对合金制备工艺的研究缺乏参考数据和借鉴经验, 尚处于摸索阶段, 与国外研究水平存在一定差距。 经过不断的制备工艺探索研究, 北京有色金属研究总院成功制备出的V-5Cr-5Ti合金铸锭
[6 ]
, 其后续加工所制备的板、 棒材的抗拉强度大于500 MPa, 延伸率大于28%。
已有研究表明
[7 ,8 ,9 ,10 ]
, V-4Cr-4Ti合金中存在富钛型的Ti(C,O,N)复杂化合物相, 严重影响了合金的使用性能。 参照V-4Cr-4Ti合金已有研究结果, 本文对V-5Cr-5Ti合金制备过程中的显微组织特别是第二相的演变进行了较深入的研究, 为V-5Cr-5Ti合金的后续加工过程中工艺参数的制定和优化, 提供理论依据。
1 实 验
选用高纯度的金属V, Cr 以及零级Ti为原料, 采用真空自耗电弧熔炼法进行熔炼, 真空度优于 5×10-3 Pa, 得到V-5Cr-5Ti合金铸锭。 合金主元素及主要杂质含量如表1。
表1 合金成分含量表 (%, 质量分数)
Table 1 Chemical composition of V-5Cr-5Ti alloy (%, mass fraction )
Cr
Ti
C
O
N
Al
Fe
V
4.8600
4.9800
0.0102
0.0380
0.0037
0.0410
0.0260
Bal.
铸锭经均匀化退火, 退火工艺为: 1100 ℃, 保温时间为2 h, 真空度优于5×10-2 Pa。 合金经锻压开坯, 多道次轧制, 中间进行真空退火热处理, 得到厚度为5 mm的退火态板材。 对板材进行多道次精轧, 得到厚度分别为3, 2, 1 mm的板材, 变形量分别为40%, 60%, 80%。 最终热处理工艺为: 温度分别为800, 900, 1000 ℃, 保温时间为1 h, 真空度优于5×10-2 Pa。
采用电火花线切割在最终热处理的板材沿轧制方向取样制备金相试样。 样品经机械水磨至2000# 水砂纸, 机械抛光至表面无明显划痕。 OM(金相)在OLYMPUS-GX71型倒置式金相显微镜下进行, SEM(扫描电镜)EDS(能谱分析)试验在JSM-7001F型场发射扫描电镜下进行的。 金相腐蚀用30 ml H2 O+30 ml HNO3 +30 ml HF(30%)化学腐蚀溶液和1∶10的HF电解腐蚀液两种。
2 结果与讨论
2.1 铸锭的均匀化热处理
图1是V-5Cr-5Ti合金铸锭不同状态下显微组织结构。 由图1(a)可知, 铸态合金中存在大量第二相, 呈不规则线状均匀分布在合金基体中。 图1(b)为电解腐蚀试样的SEM图像, 电解腐蚀主要作用于基体, 对第二相没有明显腐蚀效果, 可以凸显第二相的分布情况。 从图1可以看到, 片状第二相之间以平行或垂直的取向关系紧密交错排列, 形成不规则曲线。 经过均匀化热处理后, 第二相的曲线形貌消失, 形成一块块斑状相, 第二相数量减少, 在晶粒内形成大片的无第二相空白区(如图1(c)), 并有向晶界偏聚趋势。 在图1(d)中可看到, 以晶界为标准, 片状第二相平行或垂直分布, 溶解于晶界, 导致晶界的变宽。
对合金的能谱分析中, 考虑气体元素的测量误差和对能谱的干扰, 未取C, O, N元素含量测定。 对比合金基体(A)与第二相区域(B)的EDS分析结果, 参照合金成分表(表2)发现, 图1中交错分布的片状相为富钛第二相, 说明片状第二相为富钛的含C, O, N杂质原子的复杂化合物相
[11 ,12 ,13 ,14 ]
。
第二相的生成, 可以看作先破坏原有金属键, 再生成新的相界的过程, 需要外界提供能量才能进行。 因此, 对于取向明显影响到断键数量的片状第二相, 优先生成于基体中断键最少和键能最小的晶面, 这应该是铸态第二相与基体间存在取向关系的原因。 合金铸锭均匀化热处理后, 在基体界面能的驱动下, 片状相之间距离增加, 分布趋于均匀。 第二相的数量减少, 没有完全消失, 说明由原子偏析形成的第二相与基体中杂质原子存在浓度的平衡。 均匀化过程中, 未相互融合或者球化以降低比表面能, 说明第二相具有热稳定的相结构。
表2 合金主元素的EDS半定量成分分析结果(%, 质量分数 ) 下载原图
Table 2 EDS result of main composition of alloy (%, mass fraction )
表2 合金主元素的EDS半定量成分分析结果(%, 质量分数 )
图1 V-5Cr-5Ti合金铸锭不同状态下显微组织结构
Fig.1 Microstructure of V-5Cr-5Ti ingot after different treatment
(a) and (b) remelting ingot; (c), (d) and (e) ingots after 1100 ℃×2 h heat treatment; (f) EDS result of different areas
2.2 塑性变形过程中的组织变化
图2为V-5Cr-5Ti合金不同变形量的加工态组织。 由图可知, 合金基体中的加工流线密集排列, 表现出了良好的可加工性能。 当变形量不大(40%)时, 合金中存在明显的硬化区, 加工流线在硬化区周围中断, 硬化区内存在大量密集的第二相, 如图2(b)。 随着变形量的增加, 内应力积累, 超过了合金硬化区的变形抗力, 硬化区便开始发生塑性变形, 合金整体变形趋于均匀(图2(c))。 当变形量达到80%时, 加工流线方向基本均匀一致, 第二相对合金流变均匀性的影响可以忽略(图2(d))。
图3为V-5Cr-5Ti合金不同变形量精轧后板材的加工态组织硬化区的SEM分析图像。 从图3(a)中可以看出, 变形量不大时(40%), 板材中硬化区内的第二相组织基本没有发生变化, 片状第二相之间保留着铸态的相互平行或垂直的取向关系。 当变形量达到60%时, 第二相之间的取向关系发生改变, 并出现断裂破碎现象, 硬化区发生塑性变形, 如图3(b)。 随着变形量的继续增加, 断裂破碎的第二相越来越多, 片状第二相变得稀少, 相互之间没有明显取向关系。 图3(d)是图3(c)的局部区域放大像, 破碎后的第二项粒子形貌不规则, 大小不一, 没有明显的偏聚, 在基体中分布较均匀。
图2 V-5Cr-5Ti合金不同变形量的金相组织
Fig.2 Microstructure under different deformation of V-5Cr-5Ti alloy
(a) and (b) ψ=40%; (c) ψ=60%; (d) ψ=80%
图3 V-5Cr-5Ti合金不同变形量精轧后板材的加工态组织硬化区的SEM图像
Fig.3 Hard areas microstructures after different deformation rates rolling
(a) ψ=40%; (b) ψ=60%; (c) and (d) ψ=80%
李鱼飞等
[14 ,15 ]
的对V-4Cr-4Ti合金铸锭的显微组织分析表明, 第二相与基体的相结构不同, 晶格常数差较大(>30%), 均匀化处理后第二相周围的基体中仍然存在高密度位错。 非共格相界周围处于高能量的亚稳定状态, 相界周围基体中高密度的位错会导致杂质原子的非平衡偏析, 在第二相周围形成“科垂尔”气团, 钉扎位错的运动, 形成硬化区, 对该区域基体变形有阻滞效果, 与实验结果相符。 当合金开始发生塑性流变时, 内应力和应变能较低, 不能改变硬化区对变形的阻滞作用, 硬化区不会发生塑性变形。 随着变形量的增加, 合金的加工硬化程度加剧, 变形储能和内应力上升。 当变形储能和内应力上升, 超过硬化区变形所需能垒时, 硬化区开始发生塑性变形, 第二相之间取向发生改变(图3(b))。 加工硬化程度的继续加剧, 第二相周围位错密度不断增加, 变形储能和内应力的持续积累, 第二相未经过变形直接破碎断裂(图3(c)~(d)), 说明第二相是脆性的陶瓷相, 与第二相是Ti(C,O,N)的复杂化合物相的结果相符。 第二相的偏聚阻碍了位错的运动, 不利于合金塑性变形的均匀性, 随变形量的增加, 合金变形趋于均匀, 加大变形量能削弱第二相对塑性变形不均匀的影响。
2.3 再结晶过程中的组织变化
图4为变形量为80%的合金不同温度等时处理的金相组织。 可以看出, 800 ℃处理后, 塑性变形产生的加工流线已大量减少, 个别区域发生再结晶的形核和长大, 如图4(a)。 900 ℃时, 合金基体中第二相稀少的区域中加工流线基本消失, 不存在明显的纤维组织, 在第二相密集的区域没有发生明显的再结晶形核和生长(图4(b))。 当热处理温度为1000 ℃时, 合金组织为均匀细小的等轴晶, 组织中存在细晶带, 细晶排列方向与塑性变形方向一致(图4(c))。 在高倍金相组织照片(图4(d))中, 细晶带区域存在大量的第二相组织, 周围出现了出现不稳定的四角晶界, 部分晶粒被吞并, 发生了晶粒的长大。
图5是不同变形量合金1000 ℃保温1 h之后细晶区的SEM图像。 变形量为60%时, 细晶带较宽, 细晶带内晶界相互纠错, 周围区域的晶粒较粗大(图5(a)), 第二相稀少(图5(c))。 由图5(b)可知, 当变形量增加到80%时, 细晶带宽度变窄, 晶界也相对较规则。 周围区域存在少量弥散的第二项, 晶粒比较细小, 存在晶粒的吞并和长大。 从图5(c~f)中可以看到, 第二相在晶界处分布较密集。 变形量60%的合金再结晶之后, 第二项破碎不够充分, 形状不规则, 颗粒尺寸较大。 变形量增加到80%时, 第二相破碎较充分, 颗粒更加细小, 形状比较规则, 分布更加均匀。
图4 变形量80%的V-5Cr-5Ti合金不同温度1h处理后的金相组织
Fig.4 Microstructure of 80%deformation alloy after different temperature heat treatment for 1 h
(a) 800 ℃; (b) 900 ℃; (c) and (d) 1000 ℃
图5 不同变形量V-5Cr-5Ti合金1000 ℃×1 h处理后的SEM图像
Fig.5 Microstructure of different deformation rate alloy after 1000 ℃×1 h heat treatment
(a), (c) and (d) ψ=60%; (b), (e) and (f) ψ=80%
亚稳态的第二相区域再结晶能垒较高, 阻滞再结晶的形核和长大, 有助于组织的高温稳定性和合金的高温力学性能。 晶粒的长大过程中, 第二相的存在阻碍晶界的迁移, 阻滞了晶粒的长大, 形成细晶带。 第二相与合金基体是非共格的, 在晶粒的长大过程中, 晶界的迁移推动第二相, 高密度的位错和杂质原子的非平衡偏析有助于第二相的迁移, 使其在晶界富集。 由于第二相热稳定的相结构, 在晶粒长大的过程中, 破碎的第二相形貌没有发生明显的改变(图5(d))。 晶内第二相呈规则的颗粒状(图5(f)), 应该是冷却过程降低了第二相组元在合金基体中的固溶度, 在基体中析出的结果。 通过加大塑性变形量和选择再结晶热处理工艺, 可以一定程度上控制显微组织结构的不均匀性, 得到晶粒细小、 第二相分布弥散均匀的合金组织, 优化合金的组织性能。
3 结 论
1. V-5Cr-5Ti合金铸锭中的第二相为薄片状, 紧密排列呈不规则曲线, 其分布与合金基体存在择优取向。
2. 脆性的第二相具有热稳定的相结构, 不能通过均匀化处理完全消除。
3. 第二相的偏聚导致合金硬化区的存在, 不利于合金的均匀变形。
4. 第二相的存在提高了合金的塑性变形和再结晶能垒, 有利于合金的强度和高温性能。
5. 通过加大合金的塑性变形量和相应的再结晶热处理工艺, 有助于得到均匀细小的V-5Cr-5Ti合金组织。
参考文献
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