Haynes230鎳基合金高溫拉伸特性分析

呂春堂，劉 兵，金 丹

(沈陽化工大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142)

Haynes230鎳基合金屬于Ni-Cr-W系固溶強(qiáng)化型高溫合金，其基體為具有面心立方結(jié)構(gòu)的γ相，合金中的析出相只有碳化物WC和M23C6/M6C.Haynes230鎳基合金具有良好的高溫強(qiáng)度，優(yōu)良的抗氧化性、耐腐蝕性、抗氮能力和熱穩(wěn)定性等，易于成型制造.Haynes230鎳基合金主要用于制造航空渦輪發(fā)動機(jī)燃燒室、火焰筒等零部件，同時也廣泛用于制造地面燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室部件及工業(yè)爐熱電偶保護(hù)管、熱旋風(fēng)器內(nèi)襯等高溫設(shè)備元件[1-4].

金屬材料的拉伸特性是衡量材料力學(xué)性能的重要指標(biāo)之一.目前針對鎳基金屬材料的拉伸性能已有研究報道[5-12].Wang等[5]針對Inconel750H鎳基高溫合金進(jìn)行了720 ℃、750 ℃和780 ℃下的拉伸試驗，合金應(yīng)變率從5×10-5/s增加到5×10-3/s，對高溫變形過程中合金強(qiáng)化機(jī)制進(jìn)行了討論.Rai等[6]針對CM247ds鎳基高溫合金在室溫(RT)～955 ℃范圍內(nèi)進(jìn)行了拉伸試驗.透射電鏡結(jié)果表明：在這種合金中屈服強(qiáng)度異常是γ′相中位錯交互作用的結(jié)果；750 ℃延性的增強(qiáng)歸因于超晶格疊加斷層的形成.Hosseini等[7]研究了均勻化熱處理對含硼鋯添加劑的鎳基高溫合金718鑄件組織、硬度和拉伸性能的影響，對均勻化后的合金進(jìn)行了硬度和高溫拉伸試驗.通過OM、SEM和XRD等技術(shù)進(jìn)行了微觀組織研究和相結(jié)構(gòu)分析.結(jié)果表明：隨著均勻化熱處理時間的延長和溫度的升高，析出相的量減少；當(dāng)溫度大于1075 ℃時，熱處理時間的延長可以提高強(qiáng)度和延性，當(dāng)溫度大于1175 ℃時，熱處理時間的延長伴隨著強(qiáng)度和延性的降低，導(dǎo)致晶界處針狀三角洲相的減少；硼和鋯對合金的強(qiáng)度和延性有負(fù)面影響.Shi等[8]在定向凝固爐中鑄造了一種含稀土和釕的鎳基單晶高溫合金，研究了再結(jié)晶組織的演變及其對850 ℃和980 ℃拉伸性能的影響，并觀察了細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu).結(jié)果表明：胞狀再結(jié)晶區(qū)的厚度隨著噴砂壓力的增大而增大；細(xì)胞結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)破壞了拉伸性能，拉伸強(qiáng)度和伸長率均隨胞狀結(jié)構(gòu)厚度的增加而降低.馬李等[9]采用電子束氣相沉積方法制備了Ni-Cr-Al合金，對試樣進(jìn)行了固溶及時效處理，考察了20～1000 ℃不同溫度下合金的拉伸性能及位錯結(jié)構(gòu)特征.結(jié)果表明：隨著試驗溫度升高，合金拉伸強(qiáng)度逐漸降低，斷口形態(tài)大多為韌窩和準(zhǔn)解理斷裂構(gòu)成.李雅莉等[10]采用激光選區(qū)熔化技術(shù)制備HastelloyX試樣,研究了熱等靜壓和固溶處理對HastelloyX試樣顯微組織及拉伸性能的影響.郭小童等[11]對航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片用K465合金在1180～1270 ℃短時超溫條件下的瞬時拉伸性能進(jìn)行了測試，并利用SEM、XRD和物理化學(xué)相分析的方法觀察和定量表征拉伸前后的顯微組織，研究了短時超溫過程中顯微組織的演變規(guī)律及其對拉伸性能的影響.

金屬材料的拉伸試驗是研究材料特性的基礎(chǔ)，鑒于Haynes230鎳基合金在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，筆者針對Haynes230鎳基合金進(jìn)行了不同溫度下的拉伸試驗研究.基于試驗結(jié)果討論不同溫度下材料的力學(xué)特性，比較溫度對DSA效應(yīng)的影響，并針對加工硬化率特性進(jìn)行了討論.

1 試驗過程

1.1 材料及試樣

試驗用材料為哈氏國際公司生產(chǎn)的鎳基高溫合金Haynes230，其詳細(xì)的化學(xué)成分如表1所示.材料按照AMTS 5891的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行處理.

表1 Haynes230鎳基合金材料的化學(xué)成分

將用于拉伸試驗的材料制備成兩端帶螺紋的圓柱形試樣的材料，其幾何形將如圖1所示.

圖1 試樣的幾何形狀

1.2 試驗內(nèi)容

在MTS實(shí)驗機(jī)上進(jìn)行室溫、650 ℃、700 ℃、760 ℃和800 ℃下的拉伸試驗.在標(biāo)距段內(nèi)，點(diǎn)焊K型熱電偶精確控制溫度在±2 ℃內(nèi).選擇彈性范圍的力控制和塑性部分的位移控制兩種控制方式進(jìn)行拉伸試驗.

2 試驗結(jié)果分析

2.1 不同溫度下的力學(xué)性能分析

試驗中測得的應(yīng)力應(yīng)變?yōu)槊x應(yīng)力應(yīng)變值，大變形下使用真應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析將獲得更為精確的結(jié)果.真應(yīng)力應(yīng)變與名義應(yīng)力應(yīng)變間的關(guān)系可通過公式

σT=σ(1+ε)，

(1)

εT=ln(1+ε)

(2)

進(jìn)行換算.式中:σ為名義應(yīng)力；ε為名義應(yīng)變；σT為真應(yīng)力；εT為真應(yīng)變.

Haynes230鎳基合金不同溫度下拉伸試驗的宏觀真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖2所示.由圖2可知：試驗溫度范圍內(nèi)，Haynes230鎳基合金的拉伸變形大致呈現(xiàn)為3個階段，即彈性變形階段、均勻塑性變形階段和不均勻的集中塑性變形階段.從圖2曲線可以看出該材料屈服強(qiáng)度高，塑性較好.

圖2 Haynes230鎳基合金不同溫度下的宏觀真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

Haynes230鎳基合金強(qiáng)度隨溫度變化的曲線如圖3所示.由圖3可以看出：在650～760 ℃范圍內(nèi)，合金的抗拉強(qiáng)度表現(xiàn)出顯著降低的趨勢，而屈服強(qiáng)度受溫度的影響不大，維持在300 MPa左右；在760～800 ℃范圍內(nèi)，屈服強(qiáng)度緩慢降低，抗拉強(qiáng)度近似線性降低.

彈性模量是表征金屬材料對彈性變形抗力的另一個重要指標(biāo).彈性模量與原子間距有關(guān)，對特定材料而言，原子間距隨溫度升高而增大，原子間結(jié)合力減弱，直接表現(xiàn)為彈性模量降低[12].由圖2可知：Haynes230鎳基合金彈性模量隨溫度的增加而下降，在室溫、650 ℃、700 ℃、760 ℃和800 ℃下其彈性模量分別為204 GPa、171 GPa、167 GPa、165 GPa和159 GPa.

圖3 Haynes230鎳基合金的強(qiáng)度隨溫度變化曲線

2.2 動態(tài)應(yīng)變時效分析

由圖2可以看出：650 ℃時Haynes230鎳基合金表現(xiàn)出明顯的鋸齒屈服現(xiàn)象，即在650 ℃下Haynes230鎳基合金發(fā)生了明顯的動態(tài)應(yīng)變時效(DSA).DSA是一種變形與時效同時發(fā)生的過程，在宏觀應(yīng)力-應(yīng)變曲線上表現(xiàn)為反復(fù)的鋸齒屈服現(xiàn)象，該現(xiàn)象實(shí)質(zhì)是由材料內(nèi)部的固溶原子與位錯之間反復(fù)釘扎和脫釘造成的.當(dāng)可動位錯被障礙物(如林位錯、晶界等)阻擋時，溶質(zhì)原子以擴(kuò)散方式向其偏聚，直至形成有效的溶質(zhì)原子氣團(tuán)對可動位錯產(chǎn)生釘扎作用，造成額外阻力，引起應(yīng)力升高.在外加應(yīng)力場作用下，可動位錯能夠以熱激活的方式克服障礙及溶質(zhì)原子氣團(tuán)，發(fā)生脫釘，引起應(yīng)力下降[13].

雖然在650 ℃下Haynes230鎳基合金的DSA效應(yīng)明顯，但隨著溫度升高至700 ℃，Haynes230鎳基合金呈現(xiàn)出較弱的鋸齒屈服現(xiàn)象，即DSA現(xiàn)象較弱.相關(guān)研究表明，對同一種材料而言，DSA現(xiàn)象具有明顯的溫度相關(guān)性[14]，該實(shí)驗中700 ℃下溶質(zhì)原子遷移率增加，不能在受阻的可動位錯周圍形成有效的溶質(zhì)原子氣團(tuán)，導(dǎo)致溶質(zhì)原子與位錯之間的釘扎作用弱化，DSA現(xiàn)象減弱.

2.3 加工硬化率

金屬材料宏觀上的屈服是微觀上大量位錯運(yùn)動的結(jié)果，因此從微觀上進(jìn)行晶體范性形變的分析有助于理解金屬材料屈服的宏觀現(xiàn)象.加工硬化率可作為理解材料屈服強(qiáng)度的一個重要指標(biāo).

筆者重點(diǎn)分析屈服后直至達(dá)到抗拉強(qiáng)度值之間加工硬化率的變化.根據(jù)圖2的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線得到加工硬化率(θ)-流變應(yīng)力(σ-σy)曲線，如圖4所示.其中σy為材料的屈服應(yīng)力.加工硬化在微觀上可理解為在變形過程中應(yīng)變量增加引起位錯在晶界上增殖，同時也會有部分位錯湮滅，位錯增殖和位錯湮滅達(dá)到一個相對平衡的狀態(tài)，在加工硬化率-流變應(yīng)力曲線中表現(xiàn)為直線部分.

從圖4可以看出：直線段部分在整個加工硬化過程中隨著溫度的增加而減小，室溫下直線段所占比例約為87%，而當(dāng)溫度達(dá)到800 ℃時整個加工硬化部分已看不到明顯的直線段部分.這是由于位錯增殖速率隨著溫度的升高而降低的結(jié)果.

圖4 Haynes230鎳基合金在不同溫度下的加工硬化率

3 結(jié) 論

針對Haynes230鎳基合金進(jìn)行了室溫、650 ℃、700 ℃、760 ℃和800 ℃下的拉伸試驗，得到了如下結(jié)論：

(1) 隨著實(shí)驗溫度的增加，Haynes230鎳基合金的屈服強(qiáng)度明顯下降，從室溫下的444 MPa下降至800 ℃下的252 MPa.在650～760 ℃范圍內(nèi)，溫度對材料屈服應(yīng)力的影響較小，維持在300 MPa左右.

(2) Haynes230鎳基合金在650 ℃下表現(xiàn)出明顯的DSA效應(yīng)，但溫度達(dá)到700 ℃時，DSA現(xiàn)象減弱.

(3) 針對不同溫度下屈服后直到斷裂前Haynes230鎳基合金合金的加工硬化率-流變應(yīng)力關(guān)系分析表明：該階段加工硬化率-流變應(yīng)力呈直線關(guān)系；隨著溫度的增加直線段部分在整個加工硬化過程中逐漸減小，室溫下直線段所占比例約為87%，而當(dāng)溫度達(dá)到800 ℃時整個加工硬化部分已看不到明顯的直線段部分.