脈沖電流固溶處理對鎳基高溫合金組織與性能的影響

楊雨秋，郭廣思，郭敬東，劉紀(jì)德，崔傳勇，杜曉明

(1.沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110159；2.中國科學(xué)院金屬研究所，沈陽110016)

高溫合金作為航空發(fā)動機(jī)的核心材料，要在600℃以上高溫環(huán)境下承受較大的復(fù)雜應(yīng)力，需具有良好的耐熱性能和組織穩(wěn)定性、較高的比強(qiáng)度和優(yōu)異的抗疲勞、抗蠕變等綜合機(jī)械性能。高溫合金中應(yīng)用最為廣泛的是鎳基高溫合金，其使用量約占80%[1-2]，鎳基高溫合金以高合金化的鎳基奧氏體為基體，加入 Al、Ti、Nb等元素，形成大量與基體具有共格關(guān)系且穩(wěn)定的金屬間化合物γ′相Ni3(Al，Ti)[3-4]。

固溶熱處理是高溫合金熱處理的關(guān)鍵工藝，其目的是溶解合金中形貌復(fù)雜、尺寸不均、雜亂分布的碳化物和γ′相，并在冷卻過程中重新析出均勻細(xì)小的γ′相和碳化物，同時控制晶粒尺寸[5]。傳統(tǒng)的固溶熱處理溫度高、耗時長，在熱處理過程中，大尺寸強(qiáng)化相的溶解往往伴隨著晶粒尺寸過分長大的問題，難以保證晶界強(qiáng)化的同時達(dá)到最佳的沉淀強(qiáng)化效果。

脈沖電流技術(shù)作為一種新興的技術(shù)，近年來被廣泛應(yīng)用于金屬材料的制備及性能的改善。張新房等[6]研究了脈沖電流對鋼中夾雜物的去除，發(fā)現(xiàn)脈沖電流不僅可以去除夾雜物也可以改善材料中氣泡的形態(tài)。XU X F等[7]采用脈沖電流技術(shù)處理熱軋鋁合金，實驗結(jié)果表明電脈沖通過快速再結(jié)晶降低材料熔化溫度和快速冷卻阻礙夾雜物顆粒長大，得到均勻的細(xì)化夾雜物顆粒，增強(qiáng)了材料性能。JIANG Y B等[8]通過對比傳統(tǒng)熱處理與脈沖電流處理老化Mg-9Al-Zn合金中β相的溶解溫度和溶解速率，發(fā)現(xiàn)脈沖電流能夠在較低的溫度條件下實現(xiàn)β相的快速溶解。

本文采用脈沖電流處理代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱處理工藝對鎳基高溫合金進(jìn)行固溶處理，探究脈沖電流固溶處理對鎳基高溫合金微觀組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響及其微觀機(jī)理。

1 實驗材料和實驗方法

1.1 實驗材料

本實驗采用的材料為鎳基變形高溫合金，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 鎳基高溫合金成分 wt%

實驗材料采用真空三聯(lián)工藝鑄造而成，使用熱等靜壓、熱處理等工藝方法將鑄錠鍛壓成厚度為65mm、直徑為440mm的渦輪盤胚料，使用線切割機(jī)將胚料切割為標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣。標(biāo)準(zhǔn)拉伸板材試樣如圖1所示(圖中數(shù)值單位：mm)。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)拉伸板材試樣

1.2 實驗方法

實驗裝置示意圖如圖2所示。采用脈沖電源(山東淄博昌泰電氣有限公司)對試樣兩端施加直流脈沖電流，使用ENDURANCE紅外測溫儀器(美國福祿克)測定試樣表面溫度。脈沖電流處理實驗中樣品溫度設(shè)定為1100℃，脈沖寬度設(shè)定為5ms，脈沖周期為100ms，脈沖電壓為30V，平均電流為24A。采用TBS2000B示波器(美國泰克)顯示波形。通過緩步提高脈沖電流密度使試樣溫度升至1100℃，并保溫5min，然后空冷至室溫，紅外控溫曲線如圖3所示。為對比分析，將對比組原始試樣放入已經(jīng)升溫到1100℃的熱處理爐中，保溫4h進(jìn)行熱固溶處理。

圖2 實驗裝置示意圖

圖3 紅外控溫曲線

試樣表面采用600目、1000目、2000目砂紙逐級打磨，采用6000目的拋光膏(型號W1.5)進(jìn)行金相拋光，使用由H3PO4(170mL)、H2SO4(10mL)和CrO3(15g)組成的溶液進(jìn)行電化學(xué)腐蝕，腐蝕電壓為5V，腐蝕時間為10s，分別采用酒精和清水清洗。

1.3 檢測方法

使用Oxford型X射線能譜分析儀(EDS)(英國牛津)和SUPRA 55 SAPPHIRE型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)(德國蔡司)觀察樣品的顯微組織，使用RB2000型硬度計(英國Instron公司)測試試樣的硬度。

采用Q1000型差示掃描量熱儀(DSC)(美國TA公司)測試合金的DSC曲線，如圖4所示。由圖4可知γ′相在1145℃完全溶解，合金開始熔解溫度為1274℃，合金的液相線溫度(融化溫度)為1336℃。

圖4 鎳基高溫合金的DSC曲線

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 顯微組織特征

鎳基變形高溫合金鍛造態(tài)原始試樣的顯微結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 鎳基變形高溫合金鍛造態(tài)原始樣品的SEM照片

由圖5可以看出，試樣中γ′相的尺寸、形貌和分布狀態(tài)十分復(fù)雜。根據(jù)其尺寸的不同大致將其劃分為初生相、二次相和三次相。初生相體積較大，且形貌十分復(fù)雜，多為帶有凸起的不規(guī)則形貌；二次相存在團(tuán)聚現(xiàn)象，形貌沒有規(guī)律且尺寸不均；三次相產(chǎn)生在初生相附近，環(huán)繞著二次相，分布不均，大小也不統(tǒng)一。

在固溶處理過程中，根據(jù)吉布斯-湯姆遜效應(yīng)[9]，當(dāng)試樣溫度升高時，較小尺寸的γ′相優(yōu)先溶解，大尺寸的γ′相最后溶解。大尺寸的初生γ′相溶解同樣遵循吉布斯-湯姆遜效應(yīng)，在邊緣尖端處優(yōu)先溶解，原因是凸起部分界面曲率較小，使得該處的飽和濃度減小，熔點降低，故優(yōu)先開始溶解，導(dǎo)致大尺寸的初生γ′相向球形轉(zhuǎn)變。

脈沖電流固溶處理和熱固溶處理后鎳基變形高溫合金的SEM照片如圖6所示。

由圖6可以看出，兩種處理方式下合金中的二次γ′相和三次γ′相均已完全溶解，但仍存在一定數(shù)量的大尺寸初生γ′相，且其大多分布于晶界處。使用image-pro軟件計算得到脈沖電流處理試樣的剩余γ′相體積占比為23.57%，平均粒徑為1.74μm；熱處理試樣剩余γ′相體積占比為26.31%，平均粒徑為1.94μm。脈沖電流處理試樣的剩余γ′相體積占比少于熱固溶處理試樣，剩余γ′相的平均粒徑也小于熱固溶處理試樣。此外，脈沖電流處理試樣中剩余γ′相的形貌也更規(guī)則，更接近于球形。上述結(jié)果表明，脈沖電流固溶處理可以達(dá)到與熱固溶處理相當(dāng)甚至更好的固溶效果?？紤]到在相同溫度(1100℃)條件下，熱固溶處理的時間為4h，而脈沖電流處理的時間僅為5min，說明脈沖電流處理可有效地促進(jìn)鎳基高溫合金中γ′相的固溶。

圖6 固溶處理后鎳基變形高溫合金鍛造態(tài)試樣的SEM照片

在固溶處理后的降溫過程中，γ′相會重新從基體中析出。脈沖電流固溶處理和熱固溶處理后重析出γ′相的顯微形貌如圖7所示。

由圖7可以看出，兩種處理方式產(chǎn)生的γ′相均為球形，尺寸大小及分布均勻，且未出現(xiàn)團(tuán)聚，該形貌特征符合鎳基高溫合金γ′相的演化規(guī)律[10]。此外，脈沖電流處理試樣中重析出γ′相的尺寸明顯小于熱處理試樣。

圖7 固溶處理后重析出γ′相的顯微形貌

脈沖電流固溶處理和熱固溶處理后兩組試樣中重析出γ′相的粒徑分布如圖8所示。

圖8 重析出γ′相的粒徑分布

由圖8可知，脈沖電流處理試樣中重析出γ′相的平均粒徑為22.79nm，而熱處理試樣中重析出γ′相的平均粒徑為72.13nm。按照紅外測溫曲線，脈沖電流處理試樣的降溫速率為950℃/min，而熱處理試樣的降溫速率為800℃/min，降溫速率快是脈沖電流處理試樣重析出γ′相的尺寸更小的原因之一。另一個原因是，在脈沖電流作用下電自由能的變化導(dǎo)致?lián)诫s元素在基體中的固溶度更高，當(dāng)電流停止，樣品開始降溫時，鎳基體中也會形成更高的過飽和度，在降溫過程中形核率更高，使重析出γ′相的形核密度增大，尺寸減小。

2.2 力學(xué)性能

不同固溶處理后試樣的硬度測試結(jié)果如表2所示。

表2 硬度測試結(jié)果

由表2可以看出，熱處理試樣的硬度數(shù)值低于脈沖電流處理試樣，該現(xiàn)象與顯微組織γ′相尺寸有一定關(guān)系。由于合金主要通過添加Ti、Al形成γ′相(Ni3Al、Ni3Ti)進(jìn)行沉淀強(qiáng)化，因此γ′相尺寸對材料硬度有直接影響[11]。脈沖電流處理試樣中重析出γ′相的尺寸更小，試樣的硬度也更高。此外，脈沖電流處理試樣中殘余初生γ′相的數(shù)量、尺寸及分布與熱處理試樣接近，因此初生γ′相釘扎晶界產(chǎn)生的晶界強(qiáng)化作用應(yīng)不是兩者硬度差異的主要原因。

不同固溶處理后試樣拉伸斷口的顯微形貌如圖9所示。

圖9 固溶處理后拉伸斷口的顯微形貌

由脈沖電流處理試樣的拉伸斷口(圖9a)可觀察到韌窩，且可明顯看出韌窩細(xì)小而又密集，表明試樣韌性較好；由固溶熱處理試樣的拉伸斷口(圖9b)可知，斷口處的韌窩大小、深淺不一，拉伸斷裂方式為韌性斷裂，韌窩的大小與γ′相的數(shù)量密切相關(guān)。脈沖電流處理的試樣具有更好的力學(xué)性能。

2.3 脈沖電流固溶處理的機(jī)理討論

當(dāng)脈沖電流通過鎳基高溫合金時，自由能發(fā)生變化[12]，自由能變化為

ΔGtotal=ΔG+ΔGelec

(1)

式中：ΔG為濃度波動引起的化學(xué)能變化；ΔGelec為電流作用提供的能量，其計算式為

(2)

式中：μ為磁導(dǎo)率；ja和jb分別為γ′析出相和γ基體相中的電流密度分布；r與r′表示材料的不同位置。

由于鎳基體與γ′相之間存在電導(dǎo)率的差異，使得脈沖電流在試樣中分布不均勻，由此引起的電自由能變化可表示為[13]

(3)

式中：σmatrix與σparticle分別為基體和γ′相的電導(dǎo)率；j為電流密度；V為沉淀物體積；k為常數(shù)(k>0)。

3 結(jié)論

(1)脈沖電流處理能夠有效促進(jìn)γ′相的固溶，且脈沖電流固溶處理后合金中重析出的γ′相更均勻、細(xì)小。

(2)脈沖電流固溶處理后的合金較傳統(tǒng)熱固溶處理的合金試樣具有更好的力學(xué)性能，且脈沖電流處理時間更短，較傳統(tǒng)熱處理工藝更加節(jié)能、環(huán)保。

(3)脈沖電流處理對γ′相固溶的促進(jìn)作用主要源于γ基體相和γ′析出相之間的電自由能差異。當(dāng)脈沖電流通過時，合金通過溶解γ′析出相來降低體系的自由能。