Mo-0.7%La合金熱處理后的微觀組織穩(wěn)定性研究

劉仁智，張鐵軍，安 耿

（金堆城鉬業(yè)股份有限公司技術(shù)中心，陜西 西安 710075）

在鉬中加入一定比例的稀土（氧化鑭、氧化釔、氧化鈰等）再經(jīng)過大量的塑性變形形成的鉬合金又稱作“摻雜鉬合金”[1-2]。他們被廣泛應(yīng)用于熱處理爐、玻璃熔煉爐部件及電子行業(yè)。稀土合金元素不僅能改善鉬的抗氧化能力而且能通過彌散強化提升力學(xué)性能。這種合金材料再結(jié)晶后的典型微觀組織是拉長的交錯的粗晶粒結(jié)構(gòu)[3-4]。與純鉬相比摻雜鉬合金顯示出更優(yōu)異的抗蠕變和高溫延展性。當(dāng)不同的氧化物加入鉬金屬中，在室溫和高溫下鉬合金就顯示出不同的力學(xué)性能，例如加入氧化鑭能提高鉬合金的強度和再結(jié)晶溫度[5-8]，鉬鑭合金常應(yīng)用于高溫領(lǐng)域。目前有關(guān)鉬合金力學(xué)性能及第二相形貌研究的文獻較多，但是在高溫長時間熱處理后其微觀組織演變的研究鮮有報道。加入的鑭含量不同導(dǎo)致鉬鑭合金致密度不同[9]，晶粒大小也不同，不同的晶粒尺寸呈現(xiàn)出的力學(xué)性能也不同。例如有人研究了鉬合金高溫（500～900℃）力學(xué)行為[10-11]；鉬鑭合金板在熱處理后的微觀組織、第二相演變及力學(xué)性能[12-14]，隨著鑭含量增加，板材在高溫下表現(xiàn)出的塑性也越來越好，在這些文章中展示了不同熱處理溫度微觀組織變化及力學(xué)性能變化，但不同微觀組織長時間在高溫下（高于1 273 K）的變化并沒有涉及。本試驗研究了Mo-0.7%La（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）合金在不同溫度保持不同時間后微觀組織的變化，并討論了微觀組織的熱穩(wěn)定性。

1 試驗過程

本試驗Mo-0.7%La合金的制備是通過固液摻雜的方法，在二氧化鉬中加入納米氧化鑭顆粒，納米顆粒尺寸約50 nm，鉬鑭合金中的鑭含量0.7%。摻雜二氧化鉬在氫氣氣氛下還原，Mo-0.7%La合金粉模壓成板后在2 223 K溫度下燒結(jié)致密化。金屬化的鉬鑭合金板經(jīng)過90%的變形量后成為厚度為4 mm的鉬鑭合金板材。軋制板在氫氣氣氛下，溫度為 1 373 K和1 773 K時進行72 h、144 h、216 h的熱處理。同時將Mo-0.7%La合金在氫氣氣氛下，溫度1 373 K進行長時效熱處理，時間為720 h、1 440 h、2 160 h、2 880 h、3 600 h、4 320 h，通過金相分析微觀組織的演變。晶粒尺寸的測量主要分為兩種情況：加工態(tài)纖維組織主要測量纖維寬度，再結(jié)晶態(tài)晶粒組織主要測量晶粒最大尺寸。

2 結(jié)果及討論

Mo-0.7%La合金板在1 373 K溫度下熱處理72 h，144 h，216 h的金相照片及晶粒尺寸比率，如圖1所示。圖1（a）是Mo-0.7%La合金在1 373 K熱處理72 h后的微觀組織照片，晶粒細小，沿軋制方向拉長。圖1（b）是Mo-0.7%La合金在1 373 K熱處理144 h后的微觀組織照片，晶粒長大，但取向仍沿軋制方向。圖1（c）是Mo-0.7%La合金在1 373 K熱處理216 h后的微觀組織照片，晶粒明顯長大，取向消失。從圖1（d）晶粒尺寸比率折線圖可見，小于50 μm的晶粒都隨時間的延長數(shù)量明顯變少，晶粒越細，單位體積內(nèi)晶粒界面越多，晶粒表面能更高，晶粒更活躍，長大速度快，而小于80 μm的晶粒相對更穩(wěn)定。由于晶界間的原子排列比晶粒內(nèi)部的更為紊亂，位錯密度較高，使晶界對正常晶格的滑移位錯產(chǎn)生纏結(jié)，使位錯不易通過晶界滑移。

為了更形象地展示鉬鑭合金微觀組織的變化，將Mo-0.7%La合金板在1373K溫度下熱處理72 h，144 h，216 h的微觀組織演變形成模擬圖，如圖2所示。軋制加工將鉬鑭合金晶粒壓扁，拉長，形成纖維狀組織，在72 h退火之后，仍保持纖維狀，如圖2（a）；當(dāng)144 h熱處理后纖維組織晶界上有細小的再結(jié)晶晶粒出現(xiàn)，且拉長的纖維組織變寬，晶界鈍化，如圖2（b）；當(dāng)熱處理216 h后變寬的纖維狀組織再結(jié)晶為等軸大晶，晶界還有大量未長大的再結(jié)晶小晶粒，如圖2（c），通過模擬金相圖可見Mo-0.7%La合金板在1 373 K的穩(wěn)定性較好。

Mo-0.7%La合金板在1 773 K溫度熱處理72 h，144 h，216 h的金相照片及相應(yīng)的晶粒尺寸比率折線圖，如圖3所示。圖3（a）是Mo-0.7%La合金在1 773 K熱處理72 h后的微觀組織照片，晶粒粗大，晶粒沿軋制方向有很弱取向。圖3（b）是Mo-0.7%La合金在1 773 K熱處理144 h后的微觀組織照片，晶粒長大，沿軋制方向取向消失。圖3（c）是Mo-0.7%La合金在1 773 K熱處理216 h后的微觀組織照片，幾乎成為等軸晶。從圖3（d）晶粒尺寸比率折線圖可見小于30 μm的晶粒數(shù)量隨熱處理時間的延長迅速減少，而尺寸大于50 μm的晶粒數(shù)量明顯增多，晶粒大小均勻，少量晶粒大于100 μm，表明在1 773 K熱處理溫度下比1 373 K溫度下Mo-0.7%La合金組織的穩(wěn)定性稍差。

圖1 Mo-0.7%La合金板在1373K溫度下熱處理72h，144h，216h金相照片及對應(yīng)的晶粒尺寸比率折線圖Fig.1 The metallographic photos and grains size ratio graph of Mo-0.7%La alloy sheet heat-treated at 1 373 K with 72 h，144 h，216 h

圖2 Mo-0.7%La合金板在1 373 K溫度下熱處理72 h、144 h、216 h的金相模擬圖Fig.2 Metallographic simulation diagram of 72 h，144 h，216 h heat treatment of Mo-0.7%La alloy plate at 1 373 K

圖3 Mo-0.7%La合金板在1773K溫度熱處理72h、144h、216h的金相照片及對應(yīng)的晶粒尺寸比率折線圖Fig.3 The metallographic photos and grains size ratio graph of Mo-0.7%La alloy sheet heat-treated at 1 773 K with 72 h，144 h，216 h

為了更形象地展示鉬鑭合金板在1773K的微觀組織變化，Mo-0.7%La合金板在1773K溫度熱處理72 h，144 h，216 h的金相模擬照片，如圖4所示。在1 773 K，72 h后纖維組織變寬，再結(jié)晶晶粒出現(xiàn)，如圖4（a）。在216h后，纖維狀組織消失，成為大晶夾雜小晶粒組織，如圖4（c）。從模擬圖可見鉬鑭合金在1 773 K時，微觀組織的穩(wěn)定性較好，相對于1 373 K同溫度下的微觀組織，Mo-0.7%La合金板在1 773 K溫度下微觀組織有少量的增長，組織穩(wěn)定性稍差。

圖4 Mo-0.7%La合金板在1 773 K溫度下熱處理72 h、144 h、216 h的金相模擬圖Fig.4 Metallographic simulation diagram of 72 h，144h，216h heat treatment of Mo-0.7%La alloy plate at 1 773 K

熱處理溫度為1 373 K和1 773 K，時間相同的情況下，發(fā)現(xiàn)1 773 K熱處理后再結(jié)晶更明顯。結(jié)果表明，在熱處理溫度和時間之間，熱處理溫度對再結(jié)晶和晶粒的長大貢獻更大；在同一個溫度1 373 K，不同時間熱處理后再結(jié)晶隨著時間的延長緩慢發(fā)生，表明鉬鑭合金在同一溫度下對時間耐受的穩(wěn)定性很好。鉬鑭合金中的第二相粒子即氧化鑭粒子經(jīng)過加工變形后成為球狀或等軸狀細顆粒存在于晶界或晶內(nèi)，加工變形進一步細化晶粒的過程中將部分晶粒內(nèi)部的氧化鑭粒子推向晶界，形成晶界釘扎，在熱處理中阻礙晶界移動，阻止晶粒長大[15-16]。而溫度升到1 773 K后，能量明顯提升，第二相粒子活動增強，釘扎力度減弱，晶界發(fā)生滑移。晶界是位錯移動的有效障礙，當(dāng)溫度升高，晶界積聚的能量超越位錯的阻力時，晶界發(fā)生移動，晶界合并，晶粒之間互相吞并，小晶粒變大晶粒。時間的延長提升晶界滑移的能量有限，晶界滑移速度緩慢。

Mo-0.7%La合金板在溫度為1 373 K，熱處理720 h、1 440 h、2 160 h、2 880 h、3 600 h、4 320 h 后的金相照片及對應(yīng)的晶粒尺寸比率折線圖，如圖5所示。圖5（a）是Mo-0.7%La合金在1 373 K熱處理720 h后的微觀組織照片，晶粒細小，沿軋制方向拉長。圖5（b）中Mo-0.7%La合金在1 373 K熱處理1 440 h后的微觀組織照片，晶粒長大，變寬但取向仍沿軋制方向。圖5（c）是Mo-0.7%La合金在1373K熱處理2160h后的微觀組織照片，晶粒變?yōu)榈容S晶，取向消失。圖5（d）中等軸的晶粒長得更大，圖5（e）中熱處理時間達到3600h時，長大的晶粒連成一片，形成片狀大晶，當(dāng)加熱時間達到4320h時如圖5（f），Mo-0.7%La合金板的微觀組織形成典型的前后搭接、交錯的條狀大晶。從圖5（g）晶粒尺寸比率折線圖可見，條狀組織的比例隨熱處理時間增加逐漸降低，到2 160 h時條狀組織減少速度較快，到2 880 h達到最低，時間進一步延長條狀組織又增加，表明Mo-0.7%La合金板的微觀組織由一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)，由加工態(tài)的條狀組織轉(zhuǎn)變?yōu)樵俳Y(jié)晶長大形成的首尾搭接的條狀組織，并且這種條狀組織能較穩(wěn)定的存在。

對照金相圖形成了更加清晰的鉬鑭合金微觀組織模擬圖，Mo-0.7%La合金板在溫度為1 373 K，熱處理 720 h、1 440 h、2 160 h、2 880 h、3 600 h、4 320 h后的金相模擬圖，如圖6所示。在1 373 K，熱處理720 h后纖維組織雖然仍保留，但是由大量細小的再結(jié)晶晶粒組成；時間達到2 880 h時，晶粒成為等軸晶，到3 600 h時，晶粒進一步長大，變寬，成為寬大的再結(jié)晶；到4 320 h時，鉬鑭合金的微觀組織成為首尾搭接的條狀組織，如圖6（f）所示。從金相及模擬圖可見，Mo-0.7%La合金板微觀組織從纖維狀演變?yōu)榈容S狀再形成寬條狀，表明鉬鑭合金在4 320 h以內(nèi)的組織穩(wěn)定性都較好。

熱處理包括熱處理溫度和熱處理時間，時間的累積意味著能量的累積，當(dāng)熱處理時間超過2 880 h時，再結(jié)晶晶粒迅速長大，到4 320 h完全長大。作為第二相，納米氧化鑭粒子因為釘扎晶界而具有明顯的細晶效果[10，12]。隨著熱能的提升晶界原子及空位等缺陷的活力增強、運動變得劇烈，晶界取向發(fā)生偏移，部分晶界重合、合并導(dǎo)致晶界消失，晶粒合并形成大晶，第二相粒子對晶界的釘扎作用消失。第二相粒子對晶界的釘扎的時效長度取決于加工變形量，加工變形量越大形成的晶界越多，位錯密度越大，第二相粒子更易于向晶界遷移，向位錯聚集，對晶界、位錯進行釘扎。也就是晶粒細化的程度和晶粒尺寸，第二相粒子分布的均勻性及第二相粒子的數(shù)量決定了鉬鑭合金板組織高溫時效的穩(wěn)定性。

圖 5 Mo-0.7%La 合金板在溫度為 1 373 K，熱處理 720 h、1 440 h、2 160 h、2 880 h、3 600 h、4 320 h 后的金相照片及相應(yīng)的晶粒尺寸比率折線圖Fig.5 The metallographic photos and grains size ratio graph of Mo-0.7%La alloy sheet heat-treated at 1 373 K with 720 h、1 440 h、2 160 h、2 880 h、3 600 h、4 320 h

圖6 Mo-0.7%La合金板在1 373 K溫度下熱處理720 h、1 440 h、2 160 h、2 880 h、3 600 h、4 320 h的金相模擬圖Fig.6 Metallographic si mulation diagram of720h、1440h、2160h、2880h、3600h、4320h heat treatment of Mo-0.7%La alloy plate at1373K

3 結(jié) 論

（1）在溫度為1 373 K、1 773 K，熱處理時間延長到216 h時，鉬鑭合金板的微觀組織仍保持細小晶粒。

（2）在溫度為1 373 K，當(dāng)熱處理時間為2 880 h時，晶粒迅速長大，熱處理時間達到4 320 h時，微觀組織演變條狀組織。

（3）通過金相模擬圖也可見Mo-0.7%La合金板微觀組織從纖維狀演變?yōu)榈容S狀再形成寬條狀，表明鉬鑭合金在4 320 h以內(nèi)的組織穩(wěn)定性都較好。