17-4PH鋼激光輻照組織的透射電鏡微觀分析

夏 健, 安春香, 龍荷蓀, 關(guān)慶豐

(1.上海交通大學 材料科學與工程學院,上海 200240;2.上海電氣電站設(shè)備有限公司汽輪機廠,上海 200240;3.江蘇大學 材料科學與工程學院,鎮(zhèn)江 212013)

17-4PH不銹鋼是美國A rmco鋼鐵公司20世紀研究出的一種馬氏體沉淀硬化不銹鋼.由于其具有強度高、韌性好以及耐腐蝕性能優(yōu)良的優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于航天、核工業(yè)、軍工和能源等尖端工業(yè)和部分民用工業(yè)領(lǐng)域,尤其廣泛應(yīng)用于汽輪機末級葉片的防水蝕處理[1].這種鋼的成分與一般的低碳馬氏體不銹鋼的成分大體相同(約17%Cr,0.05%C和4%Ni),但含碳量更低,并且加入了Cu、Nb等強化元素,其淬火硬度比通常的馬氏體不銹鋼低很多.其強度的提高是通過馬氏體相變和400～480℃范圍內(nèi)時效,從而析出ε-Cu和NbC(N)等時效硬化相得以實現(xiàn)的,韌性及抗腐蝕性的提高則是通過500～650℃內(nèi)時效形成逆轉(zhuǎn)變奧氏體加以實現(xiàn)的.

馬氏體沉淀硬化不銹鋼的熱處理工藝十分重要,主要是因為固溶和時效工藝對其力學性能十分敏感.目前,關(guān)于17-4PH這類馬氏體沉淀硬化不銹鋼常規(guī)熱處理工藝和力學性能之間關(guān)系的研究較多,但是迄今為止,采用激光輻照處理工藝研究該類鋼的組織演化及其對力學性能的影響并未見有研究報道.深入研究這類馬氏體沉淀硬化不銹鋼的激光輻照處理工藝及其微觀組織結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律,對于在實際生產(chǎn)中更好地使用這類材料具有十分重要的意義.

大功率激光技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用為改造傳統(tǒng)工藝提供了有效新途徑.其中,激光輻照工藝具有加熱速度快、變形小、硬度高、可進行局部強化處理和易于實現(xiàn)自動化等特點,為工業(yè)生產(chǎn)的技術(shù)改造及新產(chǎn)品開發(fā)提供了一條重要的途徑.采用激光輻照技術(shù)對馬氏體沉淀硬化不銹鋼進行表面處理,可以使被處理部位組織細化,并使其完全轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,隨后進行相應(yīng)的時效處理,可有效提高激光輻照部位的強度,并保持材料內(nèi)部較高的韌性.因此,利用激光輻照對馬氏體沉淀硬化不銹鋼制特殊零件進行局部處理具有很大的應(yīng)用前景,尤其對于汽輪機末級葉片的防水蝕作用更加突出.同時,研究激光輻照條件下馬氏體沉淀硬化不銹鋼的組織結(jié)構(gòu)演化與力學性能之間的關(guān)系,可以為更好地理解和改進激光輻照表面處理及后續(xù)熱處理工藝提供重要的理論支持.

1 試驗材料及研究內(nèi)容

所使用的材料為17-4PH,對其進行性能熱處理、表面激光輻照處理及相應(yīng)的時效處理,將各工藝階段的材料制成透射電子顯微鏡(TEM)樣品,采用JEM-2100型TEM分析各樣品的微觀組織結(jié)構(gòu).從以下兩方面展開研究:(1)熱處理過程中析出相和材料性能的變化規(guī)律;(2)激光輻照及時效處理后材料組織性能的變化.

1.1 試驗材料的化學成分及力學性能

表1給出了試驗用17-4PH鋼的化學成分.

表1 試驗用17-4PH鋼的化學成分Tab.1 Chem ical composition of steel17-4PH tested %

表2給出了17-4PH鋼的室溫力學性能要求和試驗用鋼的實際性能.

表2 17-4PH鋼的室溫力學性能要求和實測值Tab.2 Mechanica l p roperty of steel 17-4PH at room temperature

1.2 試驗材料的處理工藝及性能

對17-4PH鋼經(jīng)過930～1 150℃鍛造后進行性能熱處理,熱處理工藝為:1 040℃×2 h,空冷;835℃×2 h,空冷;560℃×5 h,空冷.對鍛造后材料按工藝步驟處理,給每步工藝樣品編號,工藝參數(shù)及處理后的硬度見表3.

表3 不同熱處理工藝后17-4PH鋼的硬度Tab.3 Hardness o f 17-4PH after different p rocesses of heat treatment

1.3 激光輻照及時效處理

17-4PH材料經(jīng)以上性能處理后,清潔表面,對表面進行局部激光輻照處理.所采用的激光器為武漢金石凱激光技術(shù)有限公司的GS-6000型橫流CO2多模激光器,最大功率為6 kW,采用矩形積分鏡,輻照寬度為 30 mm,速率為 60～120 mm/s,進行不同輻照時間的激光處理.在激光處理后,對樣品進行低于480℃低溫時效處理.

2 結(jié)果與分析

2.1 熱處理過程中材料微觀組織的變化規(guī)律

2.1.1 1號樣品的TEM組織分析

圖1為固溶狀態(tài)下1號樣品的TEM 形貌.由圖1可知,該樣品的顯微組織為典型的板條馬氏體結(jié)構(gòu),板條內(nèi)很干凈,未觀察到析出相,位錯密度也不高.由于含碳量低,又沒有析出相的強化,因此1號樣品的硬度較低(302～319 HV 10).板條間距約0.5μm或稍小,板條間也比較干凈,板條間有少量殘余奧氏體(圖1(a)箭頭所示),馬氏體中有M 23 C6相出現(xiàn)(圖1(b)),其尺寸相對較小,最大不超過0.2μm.

2.1.2 2號樣品的TEM組織分析

圖2為2號調(diào)整處理樣品的TEM形貌,組織仍為板條馬氏體結(jié)構(gòu)(圖2(a)).圓形的M23 C6尺寸有所增大,為 0.2～0.5μm.放大的 TEM 形貌見圖 2(b),顯示板條內(nèi)含有大量顆粒細小的ε-Cu析出相.

調(diào)整處理的溫度較高,此時Cu在奧氏體中的溶解度也會隨著溫度的升高而大大提高.另外,調(diào)整處理也提高了馬氏體轉(zhuǎn)變點(M s點),因此原板條間少量殘余奧氏體在隨后的冷卻過程中再次轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體(圖2(a)箭頭所示).由于在加熱過程中有很多的Cu已經(jīng)溶解在奧氏體中,因此殘余奧氏體所形成的馬氏體板條內(nèi)析出相很少.

圖1 1號樣品的顯微組織Fig.1 M icrostructures of sam ple No.1

圖2 2號樣品的顯微組織Fig.2 M icrostructures of sam ple No.2

2.1.3 3號樣品的TEM組織分析

3號樣品為板條馬氏體組織,如圖3(a)明場和圖3(b)暗場所示.箭頭所指的板條間的黑色襯度為奧氏體,有些奧氏體甚至已成塊狀,在奧氏體較多的區(qū)域,馬氏體板條已變得不很明顯(圖3(c)).

板條內(nèi)部析出大量尺寸在20 nm左右的球形析出相.對含有沉淀相的板條馬氏體區(qū)域進行選區(qū)電子衍射分析,結(jié)果顯示強斑點為α-Fe,而弱斑點為析出相所產(chǎn)生(圖3(d)),標定結(jié)果為面心立方(fcc)結(jié)構(gòu)的Cu和NbC(N)混合結(jié)構(gòu).圖3(c)顯示可見的沉淀顆粒有些拉長,可以判斷這些拉長的沉淀相為ε-Cu相[2],說明此時主要的沉淀相為ε-Cu,而NbC(N)顆粒尺寸此時可能還很小,不容易分辨.Nb使奧氏體固溶體的成分更均勻,該鋼加入Nb是為了通過形成NbC而穩(wěn)定C,從而抑制碳化鉻的析出,有利于改善耐腐蝕性能[3].有文獻分析認為沉淀析出的ε-Cu與馬氏體存在K-S位相關(guān)系[4]:(111)Cu//(110)M,[110]Cu//[111]M,從而進一步說明ε-Cu是由馬氏體中共格析出的.

由圖3(a)和圖3(b)可以看出,馬氏體板條寬度在0.2～0.5μm,馬氏體板條內(nèi)位錯密度不高,暗場像顯示馬氏體板條間的奧氏體含量很高,層片寬度大約在1μm以下,局部區(qū)域奧氏體有形成塊狀的趨勢,上文提到原殘余奧氏體已有大部分形成馬氏體,所以此處的奧氏體應(yīng)為逆轉(zhuǎn)變奧氏體.圖3(e)和圖3(f)顯示了逆轉(zhuǎn)變奧氏體與馬氏體基體之間的取向關(guān)系為Nishiyam a-Wasserman關(guān)系,說明逆轉(zhuǎn)變奧氏體也和ε-Cu一樣,與馬氏體存在固定的位相關(guān)系,這與Hsiao等人的觀察結(jié)果一致[5],表明逆轉(zhuǎn)變奧氏體的形核與ε-Cu有密切關(guān)系.

材料韌性的提高與逆轉(zhuǎn)變奧氏體的形成有密切關(guān)系,這里主要分析逆轉(zhuǎn)變奧氏體的形成.逆轉(zhuǎn)變奧氏體基本都形成于馬氏體板條間,說明其形成主要與擴散有關(guān).從它的取向關(guān)系來看,逆轉(zhuǎn)變奧氏體相變應(yīng)該受到初生奧氏體的遺傳影響.

逆轉(zhuǎn)變奧氏體之所以能夠在低于Ac1很多的溫度下形成,與ε-Cu的析出是分不開的.ε-Cu顆粒在500℃以下即可沉淀析出,即ε-Cu顆粒的析出先于逆轉(zhuǎn)變奧氏體,由于ε-Cu與奧氏體的晶體結(jié)構(gòu)相同(fcc),晶格常數(shù)相差也很小,因此Cu顆粒很容易成為奧氏體的形核核心,在較高的時效溫度和較長的時效時間條件下,有利于奧氏體形成的元素(如Ni、C、Fe、Cu等)擴散到 Cu 顆粒的周圍,從而觸發(fā)逆轉(zhuǎn)變奧氏體的形核,其生長過程是靠吸收馬氏體固溶體中Cu、Ni等元素來完成的.

圖3 3號樣品的 TEM形貌Fig.3 M icrostructures of sam ple No.3

Nakagawa等提出可以用Johnson-M eh l方程來描述主要由擴散控制的逆轉(zhuǎn)變奧氏體(包括析出沉淀相)的形核與生長過程[4]:

式中:y為逆轉(zhuǎn)變奧氏體的體積分數(shù);t為時效時間;n為時間指數(shù),可以用來半定量地描述等溫轉(zhuǎn)變動力學特征;k為某一給定溫度下的常數(shù).

結(jié)合式(1)和式(2)可以看出,溫度 T越高,時效時間t越長,逆轉(zhuǎn)變奧氏體的體積分數(shù)y就越大,其中溫度 T對y的影響較大.因此,通過控制時效溫度和時間可以有效地控制逆轉(zhuǎn)變奧氏體的體積分數(shù).此外,Nakagawa等通過試驗測定了逆轉(zhuǎn)變奧氏體的激活能,發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)變奧氏體的激活能(240 k J/m ol)與Ni的激活能(245 k J/m ol)基本相等,由此可以得出結(jié)論:逆轉(zhuǎn)變奧氏體沿板條厚度方向的生長主要是依靠Ni等奧氏體形成元素沿馬氏體板條邊界和原奧氏體晶界的擴散實現(xiàn)的.

2.2 激光輻照對17-4PH鋼微觀組織變化的影響

2.2.1 激光輻照區(qū)域組織的TEM分析

激光輻照區(qū)的組織均為馬氏體板條組織,顯微硬度最高可達近500 HV.按照激光輻照時間不同,硬度大于400 HV的區(qū)域在距離表面深度約2.4～4mm的范圍內(nèi).圖4(a)為激光相變硬化區(qū)的TEM形貌.由圖4(a)可知,該區(qū)域為典型的板條馬氏體組織,馬氏體長約 3～5μm,寬約 0.3～0.5 μm,板條間位錯密度很大,在板條馬氏體間顯示有少量的殘余奧氏體出現(xiàn).在放大的TEM像中可以看到馬氏體板條中有很多彌散析出物顆粒,如圖4(b)所示,這些細小的析出相呈球狀,尺寸一般都小于20 nm.析出位置是隨機的,馬氏體板條間與內(nèi)部的析出相數(shù)量基本相同,局部區(qū)域有約0.2μm的球形顆粒(M 23 C6).圖4(c)電子衍射圖中強斑點對應(yīng)馬氏體[001]取向的衍射圖,箭頭所示弱斑點的晶面間距分別與Cu(400)的晶面和NbC(222)的晶面十分吻合,可以確定弱斑點是由這些細小的析出相引起的,這些細小的析出相為ε-Cu和 NbC(N)顆粒.有些顆粒周圍出現(xiàn)位錯圈結(jié)構(gòu)(圖4(d)),說明析出相有效地阻止了位錯的運動,造成位錯纏結(jié),從而提高了位錯密度.位錯密度的大幅提高是激光區(qū)硬度顯著提高的重要因素.由此可見,在低溫時效處理條件下,逆轉(zhuǎn)變奧氏體含量很低,穩(wěn)定的析出相已經(jīng)析出,析出相類型為ε-Cu+NbC(N),馬氏體內(nèi)部位錯密度很高,位錯強化和硬質(zhì)強化是該時效條件下的主要強化機制.

圖4 激光處理區(qū)樣品的TEM形貌Fig.4 TEM appearan ce of laser-irradiated area

2.2.2 激光輻照熱影響區(qū)組織的TEM分析

圖5為激光輻照樣品熱影響區(qū)(表層下方約1.2 mm處)的TEM 形貌.從圖5(a)可看出,熱影響區(qū)與激光硬化區(qū)組織大致相同,但板條顯得不太清晰,板條尺寸有些變大,寬度都在0.5μm左右,長度甚至達到20～30μm,此外板條間殘余奧氏體也明顯增加,如圖5(a)中箭頭所示.圖5(b)顯示馬氏體中的位錯密度較高,其中同樣有大量的ε-Cu等沉淀相.M 23 C6相較多,尺寸也較大,如圖5(d)所示.局部區(qū)域板條中仍能觀察到析出相釘扎位錯的情況(圖5(c)),但總體來講熱影響區(qū)的位錯密度遠遠低于激光區(qū),此處的微觀組織與2號樣品的組織接近.

3 結(jié) 論

(1)17-4PH鋼固溶處理后的組織為板條馬氏體結(jié)構(gòu),板條間有少量的殘余奧氏體薄片;調(diào)整處理后馬氏體板條變細,M s點升高,殘余奧氏體在隨后的冷卻過程中再次轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體結(jié)構(gòu),殘余奧氏體明顯減少;調(diào)整處理+560℃時效后,逆轉(zhuǎn)變奧氏體明顯增加,主要為位于板條馬氏體邊界的薄片,部分為塊狀;材料內(nèi)部析出大量的ε-Cu和NbC(N)顆粒,尺寸介于20～30 nm,沉淀析出的ε-Cu與馬氏體存在K-S位相關(guān)系,逆轉(zhuǎn)變奧氏體與馬氏體基體之間的取向關(guān)系為Nishiyama-Wasserman關(guān)系.

(2)固溶(或激光輻照)+低于480℃低溫時效處理后,組織由板條馬氏體+ε-Cu+NbC(N)沉淀顆粒+少量的殘余奧氏體(馬氏體板條間的薄片)組成,位錯密度很高.位錯強化和硬質(zhì)點強化是該狀態(tài)下的主要強化機制.

(3)不同時間激光輻照+低溫時效處理后,樣品硬化層最高硬度可達500 HV左右,明顯高于固溶+低溫時效處理后硬度,其機理有待進一步研究.

(4)沉淀相的顆粒尺寸對位錯密度(硬度)有決定性的影響,小于20 nm的沉淀相對提高位錯密度作用顯著,而大于20 nm的沉淀相對提高位錯密度作用不大.

(5)激光輻照時間對硬化層深度有重要影響,激光輻照時間越長,激光作用深度越深,硬化深度就越深,但在本文試驗范圍內(nèi),激光輻照時間對組織無明顯影響.

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