單道次軋制變形對Hastelloy C-276合金晶界特征分布的影響

李建軍，張曉宇，郭勝利，吳旭彬

（1.沈陽理工大學 材料科學與工程學院，遼寧沈陽 110159；2.北華航天工業(yè)學院 材料工程學院，河北廊坊 065000；3.北京有色金屬研究總院復合材料工程中心，北京 100088）

晶界作為影響材料性能的重要因素之一，其結構和分布一直是材料科學領域研究的一個重要方向。在上個世紀90年代，有人提出了“晶界設計與控制”概念[1]，繼而形成了后續(xù)的“晶界工程”這一研究領域。該工程主要采用形變和退火熱處理來提高材料中某些特殊結構屬性的晶界比例，如低Σ 重位點陣晶界（CoinCidenCe Site LattiCe,CSL）,從而優(yōu)化晶界特征分布，達到改善材料與晶界相關的性能，如抗晶間腐蝕[2，3]、抗高溫蠕變疲勞[4，5]、抗應力腐蝕[6，7]等。目前已經(jīng)廣泛應用于諸多低層錯能面心立方金屬材料，如鎳基合金[8，9]、鉛基合金[10，11]、銅合金[12，13]和奧氏體不銹鋼[14，15]等材料當中，并取得一定的研究進展。

Hastelloy C-276合金是一種含有較高Cr和Mo元素的鎳基高溫合金，由于具有良好的機械性能、優(yōu)越的耐各種腐蝕環(huán)境的能力，被廣泛應用于石油、化工、航天和核工業(yè)當中[16-18]。但在核電工業(yè)實際服役過程中，由于工作環(huán)境復雜，依然面臨著晶間腐蝕的問題。為了確保核電設施安全，進一步改善材料的耐腐蝕性能也是十分必要的。

形變和熱處理是改善晶界特征分布的重要手段，變形量作為其中關鍵工藝參數(shù)，是優(yōu)化合金晶界組織的重要目標。本文對Hastelloy C-276合金進行不同變形量熱處理，考察變形量對晶界特征分布的影響規(guī)律，為更好地優(yōu)化合金晶界特征分布提供參考依據(jù)。

1 試驗方法

試驗所用材料為Hastelloy C-276合金鍛坯線切割1mm厚薄板，其主要的化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）Cr：15.07，Mo：15.53，F(xiàn)e：4.14，W：4.04，Co≤2.5，Mn：0.62，P＜0.01，Si＜0.08，C：0.012，S：0.002，Ni余量。合金經(jīng)1150℃/30min固溶處理后水冷，再進行2.5%到90%的冷軋變形，變形后在1100℃分別保溫15min水淬。

退火后的試樣經(jīng)鑲樣研磨后，在12V電壓下進行電解拋光，電解液為80%甲醇+20%硫酸（體積比），獲得干凈表面。將制得樣品通過配有TSL-EBSD系統(tǒng)的JSM-7001 SEM進行晶粒取向測定。對樣品表面800μm×868μm的區(qū)域進行步長為1～2μm的逐點掃描，收集晶體取向信息，重構晶體取向成像顯微圖（OIM），EBSD取向差設定大于2°為存在晶界，取向差在2°～15°范圍內(nèi)為小角度晶界。采用Brandon標準判定重位點陣晶界類型，將ΣCSL≤29晶界統(tǒng)稱為特殊晶界。

2 試驗結果與討論

2.1 變形量對晶界顯微組織的影響

在晶界工程研究中，晶界特征分布一般是指材料中各種類型晶界所占比例。根據(jù)CSL模型來定義不同類型的晶界，其中將Σ≤29的晶界劃分為低ΣCSL晶界，而將此范圍外的晶界劃分為Σ＞29晶界和一般大角度晶界[19]。其中，低ΣCSL晶界一般具有較低的晶界自由能，更好的抗晶間腐蝕能力，更高的抗晶界滑移性能。正是這些特點使得低ΣCSL晶界優(yōu)于一般大角度晶界，而低ΣCSL晶界比例的多少將決定著材料性能是否提高。前人的大量研究表明[19]，只有通過合適的形變熱處理工藝，才會使得材料中低ΣCSL晶界比例大幅度的提高。其中合理的變形量是關鍵工藝參數(shù)之一。下面我們將討論變形量與晶界特征分布的關系。

圖1為不同變形量條件下的晶界顯微組織圖。灰色實線為孿晶晶界，即Σ3晶界，黑色實線代表大角度晶界。從圖1a、b中可以看出，該變形范圍退火組織晶粒粗大，晶粒內(nèi)存在大量平直共格孿晶晶界，平均晶粒尺寸達到了100μm以上（包含孿晶）。這是由于小變形高溫退火，晶粒組織發(fā)生回復，晶界遷移，使得晶粒尺寸增大。而隨著變形量的增加，平均晶粒尺寸開始減小，如圖1c、d。變形量增大導致晶粒組織壓縮變形，同時也將形變能存儲于變形晶粒當中。在隨后的熱處理過程中，隨著形變儲能的釋放，晶粒組織發(fā)生回復和部分再結晶，使得晶粒尺寸減小。當變形量增加到15%時，如圖1e箭頭所指，晶粒內(nèi)部出現(xiàn)灰色細線（Σ1），即小角度晶界。說明該退火條件下，容易出現(xiàn)不完全回復或再結晶，使得該組織明顯觀察到大量小角度晶界。而后隨著變形量的增加，晶粒組織內(nèi)部基本看不到小角度晶界的存在，表明此階段退火組織已經(jīng)完成再結晶。晶粒組織出現(xiàn)分布不均勻，主要在于變形不均勻導致的。而變形量增加到90%時，如圖1k，可以晶粒均勻細化，平均晶粒尺寸達到了微米級。

從以上結果可以看出，當變形量小于15%時，存在著回復和部分再結晶狀態(tài)。當變形量大于15%后，晶粒基本完成了再結晶，晶粒組織細化，存在著晶粒分布不均。這可能在于殘留的析出物在大變形條件下形成了局部纖維組織，使得局部晶粒的不容易長大。而沒有析出物釘扎區(qū)域，由于變形儲存能較大，可以迅速發(fā)生再結晶形核，使得晶粒異常長大。

圖2為不同變形條件下的晶界取向差分布圖。從圖2a～c可以看出，合金中存在著一定比例的小角度晶界，這些晶界是由變形施加于晶粒組織在退火過程中尚未完全回復條件下生成的。而變形量為10%時，晶粒組織基本完成回復或再結晶，此時小角度晶界比例約為1%，如圖2d。但在變形量為15%時，如圖2e，合金中仍然存在著較大比例的小角度晶界，表明該變形退火狀態(tài)合金未完全回復或者再結晶，晶粒組織尚未完全穩(wěn)定。當變形量大于15%之后，如圖2f～k，可以看出合金中小角度晶界比例較低，而相應的大角度晶界Σ3晶界（即60°取向差晶界）比例并沒有升高，一直保持在50%左右。這是由于大變形高溫退火使得合金組織發(fā)生再結晶，使得小角度晶界比例減小。而再結晶的發(fā)生會使晶粒重新形成，大角度晶界增多，使得一定程度上減小了Σ3晶界比例。這也意味著過快的發(fā)生再結晶不利于晶界特征分布的優(yōu)化。

圖3為Σ3n各類晶界比例與總的ΣCSL晶界所占比例隨變形量變化趨勢圖。從圖中可以看出，Σ3晶界比例隨著變形的增加先升高后下降，之后趨于平緩。在5%變形條件下出現(xiàn)峰值點為60.2%?？偟奶厥饩Ы绫壤cΣ3晶界比例變化趨勢基本一致，這是在于特殊晶界是以Σ3晶界為主。總的ΣCSL晶界比例在變形量15%前后，出現(xiàn)兩種不同變化趨勢。在變形量小于15%范圍內(nèi)，總的特殊晶界比例變化幅度較大，在5%變形條件下達到峰值，為67.1%；當變形量超過15%時，總的特殊晶界比例隨變形量增加變化較小趨于平穩(wěn)，基本保持在50%左右，這一趨勢與前人研究結果相一致[20]。

圖1 不同變形量條件下1100℃退火15min顯微組織圖

一般而言，Σ1晶界是指晶界取向差角小于2°的小角度晶界，包括亞晶界。Σ1晶界比例代表著殘留形變儲能的大小。Σ1晶界峰值點出現(xiàn)在15%變形量的試樣當中。說明該試樣中還存在大量的亞晶界和位錯，形變能在退火過程中尚未完全釋放，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，這可以從圖1e和2e得到驗證。

相對于前面兩種特殊晶界比例出現(xiàn)的大幅度變化，Σ9和Σ27晶界比例相對穩(wěn)定，變化幅度較小，基本保持在5%范圍以下。這是由于合金在變形退火過程中產(chǎn)生的晶界，以退火孿晶晶界為主即Σ3晶界，而Σ9和Σ27晶界相對較少。

Σ (9+27)/Σ3的比值作為晶界特征分布優(yōu)化中重要的參數(shù)，主要反映了特殊晶界間相互作用衍生Σ9和Σ27晶界的能力。隨變形量的增加其變化趨勢，如圖4所示。圖中可以看出峰值點出現(xiàn)兩個，分別在15%變形量前后，這也對應于兩種不同的退火狀態(tài)。即變形量≤15%一般認為屬于小變形回復狀態(tài)，而＞15%則認為是大變形再結晶狀態(tài)。因而可以看出，兩種不同退火狀態(tài)，都有著較高衍生Σ9和Σ27晶界的工藝參數(shù)。說明小變形退火工藝與大變形退火工藝兩種工藝都有產(chǎn)生高比例特殊晶界的潛力。

圖2 不同變形量條件下1100℃退火15min晶界取向差分布圖

圖3 各類特殊晶界所占比例與預變形量之間的關系圖

圖4 Σ(9+27)/ Σ3比值與預變形量的關系圖

3 結論

（1）經(jīng)2.5%～90%軋制變形1100℃退火后，在5%變形條件下，總的特殊晶界比例最高為67.1%，其中晶界主要是Σ3晶界，Σ9和Σ27晶界比例較低。

（2）變形量小于15%時軋制退火熱處理工藝中，變形量對特殊晶界比例影響較大，晶粒處于回復或未完全再結晶狀態(tài)，晶粒組織粗大，有利于特殊晶界的產(chǎn)生。

（3）變形量大于15%后，總的特殊晶界比例基本在50%左右，這是由于晶粒發(fā)生完全再結晶后，大角度晶界增多，不利于特殊晶界的產(chǎn)生。

（4）Hastelloy C-276合金晶界特征分布優(yōu)化，變形參數(shù)應小于15%變形量。