近等溫成形IN718合金的組織和力學(xué)性能

寧永權(quán),姚澤坤,郭鴻鎮(zhèn)

(西北工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,西安710072)

近等溫成形IN718合金的組織和力學(xué)性能

寧永權(quán),姚澤坤,郭鴻鎮(zhèn)

(西北工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,西安710072)

對IN718合金進(jìn)行近等溫成形,研究了始鍛溫度、變形和應(yīng)變速率對鍛件拉伸性能的影響。結(jié)果表明:始鍛溫度對拉伸性能的影響最顯著;隨著始鍛溫度的升高合金的晶粒度水平降低。間隙相的形態(tài)和含量是影響拉伸性能的直接原因,含量適當(dāng)?shù)尼槧畛跎鷳B(tài)間隙相對拉伸性能的提高十分有力,而短棒狀長大后的間隙相對拉伸性能的作用較低。間隙相的長大與合金的位錯密度和成形溫度關(guān)系密切。在間隙相的完全析出條件下,即在能量和溫度的公共作用下,針狀初生相迅速長大成短棒狀;而在不完全的間隙相析出條件下,間隙相僅在變形后期析出并且不發(fā)生長大,保持初生的針狀形態(tài)。

近等溫鍛造;IN718合金;力學(xué)性能;間隙相

等溫鍛造技術(shù)是最近幾十年發(fā)展起來的一種先進(jìn)成形技術(shù),是改善鍛件組織的一種有效方法[1]。等溫鍛造是保持坯料始終處于同一溫度下完成成形過程的一種鍛造方法。為了保障坯料在變形過程中始終處于同一溫度下,就必須將模具和模具型腔內(nèi)的環(huán)境溫度維持在與坯料同一溫度狀態(tài),這就需要具有優(yōu)越高溫強(qiáng)度的模具材料和能夠保持模具恒溫的加熱系統(tǒng)。然而,高溫模具材料價格昂貴,一方面增加了等溫鍛造鍛件的成本,另一方受到模具材料研究水平的制約,對于某些超高溫、超高強(qiáng)度合金而言,其鍛造采用模具材料往往無法實現(xiàn)[2-4]。把等溫鍛造過程中的模具溫度降低50～100℃,降低模具材料的使用溫度,是解決模具材料高溫強(qiáng)度不足的有效方法。近等溫鍛造工藝就是在等溫鍛造過程中使模具材料溫度有一定的降低,保持等溫鍛造其他優(yōu)越性的鍛造工藝,例如在鍛造過程中良好的金屬流動性和充填性,以及鍛件的高精度、良好的表面質(zhì)量、較高的鍛件材料利用率和鍛件尺寸穩(wěn)定性等。和等溫鍛造一樣,近等溫鍛仍使用液壓機(jī)成形,以精確控制鍛造工藝參數(shù),有利于選擇最佳的工藝方案。

本工作對目前航空航天領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的IN718(我國牌號GH4169)合金[5-7]進(jìn)行近等溫鍛造工藝研究,分析研究近等溫鍛造工藝參數(shù)對組織和性能的影響,以及以近等溫鍛造工藝代替等溫鍛造工藝鍛造成形高溫合金的可行性,豐富鍛造工藝和鍛造理論。

1 實驗材料及方法

實驗用IN 718合金由美國卡本特(CARPEN 2 TER)公司生產(chǎn),生產(chǎn)方法為電渣重熔+真空自耗,主要化學(xué)成分如下(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%):19.09Cr;52.36Ni; 2.96Mo;0151A l;0.95Ti;4195Nb;0103Cu;0127Co; 010020S;010002Ca;0106M n;0111Si;01004P; 0103C;余Fe。將原始坯料用線切割成尺寸為<55mm×24mm的試樣45個,在6300KN液壓機(jī)上進(jìn)行鍛造成形。試樣鍛前加熱溫度為980℃(T1)、1020℃(T2)和1060℃(T3),鍛造模具溫度為930℃;變形應(yīng)變速率選擇0.1s-1(E1)、0.01s-1(E2)和01001s-1(E3);理論變形程度為10%～50%。鍛后采用“固溶+雙時效”制度進(jìn)行熱處理,其規(guī)范為:“< 700℃入爐,850℃/1h,950℃/1h,AC,720℃/8h, 650℃/8h,AC”。用Olympus PM 3光學(xué)顯微鏡觀察金相組織,采用GB6394—2002評定晶粒度。

2 結(jié)果分析

2.1 始鍛溫度

不同溫度條件下近等溫成形后IN718合金的典型組織如圖1所示。當(dāng)模具溫度為930℃時,IN 718合金的晶粒尺寸隨著始鍛溫度的提高而增大、間隙相形態(tài)由短棒狀向針狀轉(zhuǎn)變。在始鍛造溫度為980℃時近等溫成形后的所有試樣(T1組)的晶粒度平均值為9.11,間隙相以短棒狀為主;T2和T3組試樣以針狀存在,平均晶粒度為8.99和5.92,如圖2(a)所示。各試樣熱處理后的拉伸性能示于表1,各組試樣的拉伸性能均達(dá)到指標(biāo)要求,塑性性能高出指標(biāo)要求許多,尤其650℃塑性性能。T2試樣強(qiáng)度性能最好,其平均室溫強(qiáng)度和屈服極限分別為1458M Pa和1218M Pa;650℃強(qiáng)度和屈服極限分別為1175M Pa和1026M Pa。

2.2 變形程度

鍛件的組織和性能對變形程度具有一定的穩(wěn)定性對于合金的生產(chǎn)是必要的,這主要是避免了由于變形程度小范圍波動而引起鍛件組織和性能大幅度變化。近等溫成形IN718合金熱處理后的拉伸性能隨變形程度的變化曲線如圖3所示?？梢?試樣的拉伸性能對變形程度的穩(wěn)定性較好,變形程度40%試樣的拉伸性能相對更好些。但是不同變形程度鍛件的平均晶粒度水平存在差異很大,在不同始鍛溫度下的變形程度對平均晶粒度水平的影響程度也不同,如圖2(c)所示。在980℃始鍛溫度下的T1組鍛件的晶粒度水平隨變形程度的增加呈現(xiàn)出明顯的細(xì)化趨勢,當(dāng)變形程度處于在20%以上時,晶粒度水平穩(wěn)定在ASTM 9210級;T2組的晶粒度水平隨變形量的增加呈現(xiàn)出先粗化后細(xì)化的趨勢,當(dāng)變形量在30%時,晶粒最粗大,說明30%變形程度為在1020℃始鍛溫度下近等溫成形IN718合金的臨界變形程度;而T3組的晶粒度水平隨變形量的增加呈現(xiàn)出明顯的粗化趨勢。綜上所述,變形程度對晶粒度水平影響的不穩(wěn)定性受到始鍛溫度的影響。

表1 在不同溫度條件下鍛造IN718合金的力學(xué)性能______________________Table 1 Mechanical p roperties of IN718 alloy forged under different temperature_____________________

圖3 IN 718合金近等溫鍛造成形后的力學(xué)性能和變形量變化曲線(a)室溫拉伸;(b)650℃Fig.3 M echanical p roperties vs defo rmation of near2isothermal forged IN 718 alloy tested at room temperature(a)and 650℃(b)

2.3 應(yīng)變速率

在不同應(yīng)變速率下近等溫成形IN 718合金的典型組織如圖4所示,間隙相多呈針狀。隨著應(yīng)變速率的降低,鍛件的晶粒度略有細(xì)化,如圖2(b)所示。在應(yīng)變速率為0.1s-1的E1組試樣的平均晶粒度水平最低,其平均值為7.81,這可能是由于變形速度過快導(dǎo)致不完全再結(jié)晶所致;隨著應(yīng)變速率的降低,變形持續(xù)時間延長,更加有利于動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生,因此E2和E3組試樣的晶粒略有細(xì)化,其晶粒度水平的平均值分別為8.13和8.91。

圖4 在0.1s-1(a),0.01s-1(b)和0.001s-1(c)應(yīng)變速率下近等溫成形IN718合金的典型金相組織Fig.4 Typicalmicrostructures of IN718 alloys near2isothermal forged with strain rates of 0.1s-1(a),0.01s-1(b)and 0.001s-1(c)

表2的拉伸性能表明,近等溫鍛造IN 718合金的拉伸性能對應(yīng)變速率的穩(wěn)定性很好。從鍛件拉伸性能角度而言,可以采用低應(yīng)變速率成形來代替高應(yīng)變速率成形,即降低合金變形抗力、提高金屬流動力,又節(jié)約液壓設(shè)備噸位、實現(xiàn)小設(shè)備生產(chǎn)大鍛件。

表2 不同應(yīng)變速率下近等溫鍛造IN718合金的力學(xué)性能________________Table 2 Mechanical p roperties of IN718 alloys near2isothermal forged w ith various strain rates_______________

3 討論

間隙相的形態(tài)和含量對鍛件性能的影響很大,因此對其進(jìn)行研究很有必要[8]。間隙相的形態(tài)和含量,與初生和長大關(guān)系密切,而初生間隙相的長大需要滿足能量條件和溫度條件。當(dāng)處于某個溫度范圍內(nèi)時,初生間隙相形成,在能量的作用下發(fā)生長大。在通常條件下,晶界、位錯塞積等缺陷和能量容易累積處最容易初生間隙相。對IN 718合金進(jìn)行近等溫成形過程中析出的間隙相為δ相,資料表明其完全固溶溫度為980℃,析出峰溫度范圍是890～930℃,而模具溫度為930℃,正處于δ相析出峰內(nèi)。δ相在變形過程中的析出稱之為“動態(tài)析出”,其他稱為“靜態(tài)析出”。δ相的含量正比于析出時間,其形態(tài)取決于是否發(fā)生長大,初生狀δ相為針狀,而長大后為短棒狀。低的始鍛溫度(980℃)、大的變形量(50%)和低的應(yīng)變速率(01001s-1)都有利于延長析出時間,因此有利于增加δ相含量。當(dāng)始鍛溫度為980℃時,整個成形過程均處于δ相的析出溫度,間隙相首先在晶界出以針狀析出;隨著變形過程的繼續(xù)進(jìn)行,在形變儲存能的作用下初生δ相開始長大,呈短棒狀,如圖1(a)所示。應(yīng)該指出,在T1組中δ相以動態(tài)析出為主,其形態(tài)多為長大后的短棒狀,而鍛后冷卻過程中的靜態(tài)析出相對于變形過程中的動態(tài)析出不明顯。當(dāng)始鍛溫度為1020℃和1060℃時,其終鍛成形的溫度可能仍高于δ相的析出溫度,δ相的動態(tài)析出較弱;在小變形和高應(yīng)變速率的情況下,甚至可能不存在動態(tài)析出過程,因此大部分δ相以針狀初生態(tài)存在,如圖1(c)和圖4(a)所示。在低應(yīng)變速率條件下完成大變形量近等溫成形時,在成形過程后期δ相發(fā)生動態(tài)析出,其析出位置不僅包括晶界,也包括晶內(nèi),這主要是由于在無δ相析出的成形前期晶粒內(nèi)部和晶界處都累積一定的能量和缺陷,當(dāng)成形后期達(dá)到溫度條件的時候,δ相在晶界和晶內(nèi)共同析出,如圖4(c)所示。

合金的拉伸性能與δ相的形態(tài)和含量密切相關(guān),適量的針狀初生δ相提高IN 718合金的拉伸性能,這也正是T2組鍛件拉伸性能最優(yōu)越的原因。另外,具有短棒狀δ相的鍛件的拉伸性能不如針狀初生狀δ相鍛件。這主要是由于δ相在位錯大量塞積處析出和長大,長大后的δ相在變形過程中塞積更多的位錯,因此短棒狀δ相處所塞積的位錯量高于針狀,高位錯塞積必定導(dǎo)致大的應(yīng)力集中,當(dāng)進(jìn)行拉伸測試時,高位錯塞積處容易萌生裂紋,直至導(dǎo)致鍛件失效。因此,合理控制間隙相的形態(tài)和含量對提高合金強(qiáng)度具有重要意義。

4 結(jié)論

(1)近等溫鍛造IN718合金時,組織和拉伸性能對始鍛溫度敏感性高,對變形程度和應(yīng)變速率的穩(wěn)定性好,在1020℃溫度下近等溫成形后合金的力學(xué)性能最優(yōu)。

(2)初生針狀間隙相有利于提高IN 718合金的強(qiáng)度,長大后的短棒狀間隙相不利于強(qiáng)度的提高。

[1] 郭鴻鎮(zhèn),姚澤坤.合金鋼與有色合金鍛造[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,1999.35.

[2] N ING Y Q,YAO Z K,GUO H Z,et al.U ltrafine2grained treat2 ment p rocessing on FGH4096 alloy[J].Key Engineering Materi2 als,2009,407-408:694-697

[3] 李青,韓雅芳,肖程波,等.等溫鍛造用模具材料的國內(nèi)外研究發(fā)展?fàn)顩r[J].材料導(dǎo)報,2004,18(4):9-11.

[4] 盧小鵬.用新模具材料在空氣中等溫鍛造鎳基高溫合金[J].國外金屬加工,1990,(3):31-38.

[5] CAOW D,KENNEDY R L.New developments in w rought 7182type superalloy[J].Acta Metallurgica Sinica,2005,18(1):39-46.

[6] 呂宏軍,姚草根,張凱峰,等.GH4169合金細(xì)晶成形工藝與機(jī)理及其性能研究[J].機(jī)械工程材料,2003,27(1):15-18.

[7] LU H J,JIA X C,ZHANG K F.Fine2grained p retreatment p rocess and superplasticity for INCONEL718 superalloy[J].Ma2 terials Science and Engineering A,2002,326:382-385.

[8] 蔡玉林,鄭運榮.高溫合金的金相研究[M].北京,國防工業(yè)出版社,1986.9-11.

●

M icrostructure and M echanical Properties of IN718 A lloy by Near2isothermal Fo rging

N ING Yong2quan,YAO Ze2kun,GUO Hong2zhen
(School of M aterials Science&Engneering,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China)

Near2isothermal fo rging were carried out on IN 718 alloy to study the effect of parameters,i. e.temperature,deformation and strain rate,on microstructure and mechanical p roperties.Mechanical p roperties w ere affected by the defo rmation temperature since the grain coarsening w ith increasing temperature.And it should be pointed that the mechanical p roperty was significantly effected by the shape and volume of interstitial phase.Acerose phase w ith suitable in volume was contributed to op ti2 mal p roperty.Grow th up of the interstitial phase was related to dislocation density and temperature. Under full2p recipitation condition,acerose phase grew up to sho rt2stick2shape.But under non2full2 p recipitation condition,acerose phase only p recipitated at the final stage of the deformation and re2 served acerose shape.

near2isothermal forging;IN718 alloy;mechanical p roperties;interstitial phase

TG316

A

100124381(2010)1120001204

2009209220;

2010207220

寧永權(quán)(1982—),男,博士,研究方向:塑性成形及控制,聯(lián)系地址:陜西省西安市友誼西路一二七號西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院(710072),E2mail:ningke521@163.com