核電廠反應(yīng)堆壓力容器O型密封管用GH4169合金的熱加工性能及組織演變

羅 銳，譚 莉，陳樂利，陳佳宇，劉 玉，高 佩，程曉農(nóng)

(1.江蘇大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇銀環(huán)精密鋼管有限公司，江蘇宜興 214203)

0 引言

GH4169合金是一種第二相沉淀強化型鎳基高溫合金，該合金以γ″(Ni3Nb)相為主要強化相，以γ′(Ni3(Nb，Al，Ti))相為輔助強化相[1]，其在1 000 ℃高溫下仍然具有良好的強度與塑性[2]，同時有良好的抗腐蝕性能[3]和抗氧化性能[4]，因此被選作核工業(yè)壓力容器件高溫合金密封管用材料。對高溫合金密封管而言，熱變形(如熱穿孔、熱擠壓等)是獲得目標尺寸、組織及性能的關(guān)鍵加工手段[5-6]，而GH4169由于合金元素和相組成的復(fù)雜性，不同的熱變形參數(shù)可顯著影響其成型性能和組織演變[7]，因此，制定合理的熱變形工藝是提高GH4169合金密封管成品率及其服役性能的重要前提。

金屬材料的熱變形是一個受熱激活控制的過程[8-9]，通過構(gòu)建本構(gòu)方程可確定材料的熱變形激活能，并準確描述金屬材料在熱變形過程中變形抗力與變形參數(shù)間的響應(yīng)規(guī)律[10-11]。吳昊等[12]根據(jù)不同的熱變形參數(shù)對流變應(yīng)力的影響，獲得了航空部件用GH4169合金的Arrhenius的本構(gòu)方程，并對方程的預(yù)測精度進行了驗證。陳前等[13]對δ相時效態(tài) GH4169合金的熱變形流變應(yīng)力進行了摩擦修正并構(gòu)建了本構(gòu)方程，較為準確地預(yù)測了材料的變形抗力。金屬材料在不同變形參數(shù)下往往會呈現(xiàn)不同的變形行為(如動態(tài)再結(jié)晶、動態(tài)回復(fù)、局部流變等)，而基于動態(tài)材料模型(Dynamic Materials Model，簡稱DMM)理論建立的熱加工圖可對熱變形行為進行有效揭示，明確材料的可加工區(qū)間與失穩(wěn)區(qū)間[14]。王建國[15]通過構(gòu)建航空發(fā)動機用GH4169合金的熱加工圖，確定了材料的失穩(wěn)區(qū)間，并明確了最佳的熱加工窗口。將熱加工圖輔以微觀組織分析，可有效評估材料的熱加工性能，制定材料的熱變形機理圖。時偉等[16]建立了GH4169合金的熱加工圖，并基于不同變形窗口下的微觀組織演變機制，制定了合金的創(chuàng)新鍛造工藝。需要指出的是，上述研究都是圍繞航空航天部件用GH4169合金的熱變形展開，無法有效指導(dǎo)核工業(yè)壓力容器密封管的關(guān)鍵加工制備工藝(如熱穿孔、熱擠壓等)的順利開展。勵行根等[17-18]雖然對O型密封環(huán)的主要制造工藝進行了介紹，但并未明確合金的熱變形性能與組織演變規(guī)律?；A(chǔ)理論研究的缺失制約了GH4169合金在核能領(lǐng)域的應(yīng)用，因此，要實現(xiàn)GH4169密封管的產(chǎn)業(yè)化，必須填補該合金熱變形性能及組織演變規(guī)律的研究空白。

本文基于先進的Gleeble熱模擬技術(shù)，研究壓力容器密封管用高溫合金GH4169的熱變形性能，得到合金在不同形變參數(shù)下的流變曲線；在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建GH4169合金的Arrhenius雙曲正弦型本構(gòu)方程，繪制DMM熱加工圖,并結(jié)合顯微組織分析明確GH4169合金的熱變形機理圖，可為GH4169密封管的國產(chǎn)化提供理論指導(dǎo)。

1 試驗材料與方法

本研究試驗材料為1 080 ℃等溫鍛造態(tài)GH4169合金，其微觀組織表明，有較多第二相存在于奧氏體基體中，如圖1所示；其化學(xué)成分如表1所示。利用Gleeble-3500型熱力模擬試驗機對?8 mm×12 mm的圓柱試樣進行單道次等溫壓縮試驗。

圖1 高溫合金GH4169原始鍛造態(tài)的微觀組織

表1 高溫合金GH4169的化學(xué)成分

熱變形試驗前，在試樣兩端涂上潤滑劑并貼上鉭片，防止在熱變形過程中出現(xiàn)鼓肚效應(yīng)，試驗在真空環(huán)境下進行。試驗參數(shù)為：壓縮變形溫度1 000～1 150 ℃，應(yīng)變速率0.01～10 s-1。利用K型熱電偶絲控制試樣溫度，以10 ℃/s的速率將試樣升溫至變形溫度，保溫30 s使試樣受熱均勻后進行恒定速率的熱壓縮變形；壓縮完成后立即進行淬火。將淬火后的試樣沿壓縮軸向?qū)Π肫书_，制備成金相試樣并利用光學(xué)顯微鏡拍攝微觀形貌。腐蝕劑成分為50 ml鹽酸+1 g氯化銅+10 ml水，腐蝕時間25 s?；谟嬎銠C自動采集的壓縮數(shù)據(jù)，繪制GH4169高溫合金的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線，構(gòu)建本構(gòu)模型與DMM熱加工圖，并結(jié)合微觀組織確定最佳的熱加工窗口。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

GH4169高溫合金在1 s-1時不同變形溫度下和1 150 ℃時不同應(yīng)變速率下的流變應(yīng)力曲線見圖2?？梢钥闯觯S著變形溫度的升高和應(yīng)變速率的降低，流變應(yīng)力顯著降低。當變形速率為1 s-1，隨著變形溫度的升高，金屬原子熱振動的振幅增大，較多的滑移系得以啟動，同時較高的溫度有利于晶核生長，軟化和硬化更快達到動態(tài)平衡。

(b)T=1 150 ℃

如圖2(a)所示，當溫度達到1 150 ℃時，流變應(yīng)力減小到200 MPa以下，有利于高溫合金的熱加工；當變形溫度為1 000 ℃，變形速率為1 s-1時，流變應(yīng)力超過400 MPa,加工難以進行。從圖2(b)可以看出，隨著變形速率的減小，流變應(yīng)力明顯降低，GH4169高溫合金呈現(xiàn)良好的熱加工性能。所有曲線均呈動態(tài)回復(fù)型或動態(tài)再結(jié)晶型的特征，且在高溫低應(yīng)變速率下的流變曲線呈現(xiàn)明顯的動態(tài)再結(jié)晶趨勢。

2.2 Arrhenius高溫本構(gòu)模型

Arrhenius本構(gòu)方程可以描述金屬材料在熱變形過程中的變形抗力與變形參數(shù)之間的關(guān)系，有效預(yù)測材料的熱變形抗力[19]，根據(jù)不同變形條件有3種表達形式：

(1)

(2)

(3)

式(1)(2)分別適用于低應(yīng)力狀態(tài)和高應(yīng)力狀態(tài)，而式(3)適用于所有應(yīng)力狀態(tài)。將式(1)～(3)變形可得：

(4)

(5)

(6)

×exp(-4.36×105/RT)

(7)

穩(wěn)態(tài)應(yīng)力下，α=0.006 466,n=3.04，A=4.19×1014，Q=399.20 kJ/mol，表明此時材料較易變形，如圖4所示。進而得到出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)應(yīng)力時的高溫本構(gòu)方程：

×exp(-3.99×105/RT)

(8)

圖3 峰值應(yīng)力條件下的本構(gòu)參數(shù)擬合曲線

圖4 穩(wěn)態(tài)應(yīng)力條件下的本構(gòu)參數(shù)擬合曲線

2.3 DMM熱加工圖

基于DMM理論[14]，熱變形加工過程中工件消耗的總能量P可分為兩個部分：由塑性變形引起的能量耗散G和微觀組織演變所耗散的能量J。三者之間的關(guān)系可表示為：

(9)

P在G和J之間的分配由應(yīng)變速率敏感指數(shù)m決定，用于微觀結(jié)構(gòu)演變的能量比例由功率耗散效率η反映，相應(yīng)關(guān)系可以定義為：

(10)

(11)

不同的η值代表了不同的微觀結(jié)構(gòu)演變機制，一般認為η值越高，材料在相應(yīng)變形條件下的加工性能越好[19-21]。η值隨變形溫度和應(yīng)變速率的變化構(gòu)成了功率耗散圖。

然而，熱加工失穩(wěn)區(qū)有時也會呈現(xiàn)較高的η值，存在剪切變形或局部流變等失穩(wěn)現(xiàn)象[22-24]，因此，只通過功率耗散效率η評判材料的熱加工性能存在一定的局限性。為確保避開熱加工失穩(wěn)區(qū)，GEGEL等[25-27]在DMM模型的基礎(chǔ)上提出了流變失穩(wěn)判據(jù)以明確熱加工失穩(wěn)區(qū)間：

(12)

圖5 應(yīng)變量0.7下的熱加工圖

圖5所示為GH4169合金在應(yīng)變量0.7時的熱加工圖，圖中，陰影區(qū)域為流變失穩(wěn)區(qū)，顏色越深，材料的失穩(wěn)傾向越大；白色區(qū)域為可加工區(qū)，等值線代表功率耗散效率，此值越高，材料的熱加工性能通常被認為越好[28]。經(jīng)分析可知，失穩(wěn)區(qū)主要集中在高應(yīng)變速率下，且隨著溫度升高呈現(xiàn)縮小的趨勢。在安全加工區(qū)內(nèi)出現(xiàn)兩個η峰值區(qū)，分別為1 025～1 075 ℃，0.05 ～0.6 s-1和1 130～1 150 ℃，0.05～0.7 s-1，可將此兩個區(qū)間初步確定為GH4169合金的最佳熱加工區(qū)間，下文將結(jié)合顯微組織加以驗證。不同應(yīng)變量下的最佳熱加工窗口如表2所示。

表2 不同應(yīng)變量下的最佳加工窗口

2.4 微觀組織的演變

圖6為高溫合金GH4169經(jīng)不同壓縮參數(shù)變形后的微觀形貌。1 000 ℃-0.1 s-1(失穩(wěn)區(qū))變形條件下的微觀組織具有明顯的局部塑性流動特征，變形極不均勻，原始晶粒被嚴重拉長，在初始晶粒的周圍有細小的再結(jié)晶晶粒出現(xiàn),產(chǎn)生“混晶”組織，呈現(xiàn)典型的失穩(wěn)組織特征，見圖6(a)。溫度升高至1 050 ℃時出現(xiàn)功耗效率的峰值，此時再結(jié)晶晶粒顯著增多，形成均勻的完全再結(jié)晶組織[29]，見圖6(b);而隨著速率的增大，變形時間縮短，再結(jié)晶程度降低，部分初始的變形奧氏體晶粒未被再結(jié)晶晶粒吞噬，組織均勻性變差，不利于材料抵抗蠕變載荷和交變應(yīng)力，如圖6(c)所示。當變形條件為1 100 ℃-0.01 s-1時，功耗效率值較低，此時變形速率小，變形時間長，再結(jié)晶晶粒顯著長大，失去等軸狀特點，如圖6(d)所示；而當溫度升高至1 150 ℃，速率增大至0.1 s-1或1 s-1時，另一個功耗效率峰值出現(xiàn)，相應(yīng)顯微組織見圖6(e)(f)，微觀組織呈現(xiàn)均勻的等軸狀再結(jié)晶晶粒，與圖6(d)相比,再結(jié)晶晶粒沒有明顯的晶界彎折現(xiàn)象，這表明延長變形時間對晶界遷移的促進作用相較于提升溫度更加顯著。此外，經(jīng)1 150 ℃變形后的再結(jié)晶晶粒雖仍為等軸晶，但相較于1 050 ℃-0.1 s-1變形后的晶粒尺寸更大，表明升高溫度可有效促進再結(jié)晶晶粒生長。

2.5 高溫合金GH4169的熱變形機理圖

通過對加工圖中功率耗散峰值區(qū)、谷值區(qū)和失穩(wěn)區(qū)的分析，并結(jié)合不同區(qū)域所對應(yīng)的變形條件下微觀組織特征，繪制出合金的熱變形機理圖，如圖7所示。

圖7 GH4169熱變形機理圖

當變形速率為3～10 s-1時，此時變形速率較快，動態(tài)再結(jié)晶并不完全，未發(fā)生再結(jié)晶區(qū)域的原始奧氏體晶粒發(fā)生了較為嚴重的剪切變形[30]，該區(qū)域即為GH4169熱加工的失穩(wěn)區(qū)。在變形溫度為1 020～1 100 ℃，速率為0.03～0.6 s-1時出現(xiàn)η值峰值區(qū)，該區(qū)域內(nèi)為晶粒尺寸約為10 μm(晶粒度8級)的完全動態(tài)再結(jié)晶晶粒,因此被確定為GH4169的完全動態(tài)再結(jié)晶(DRX)區(qū)，在NB/T 20478.1—2018《壓水堆核電廠反應(yīng)堆壓力容器密封環(huán)技術(shù)規(guī)范 第1部分:O型密封環(huán)》中，對O型密封環(huán)產(chǎn)品要求的晶粒度為4級或更細，該晶粒尺寸遠高于O型管的行業(yè)標準要求，在實際生產(chǎn)中制定熱加工工藝時應(yīng)該優(yōu)先選擇該區(qū)域。1 100～1 150 ℃,0.03～1 s-1變形條件下，變形溫度高，動態(tài)再結(jié)晶晶粒發(fā)生一定程度的長大，相應(yīng)變形區(qū)域為GH4169的DRX長大區(qū)，晶粒尺寸約為20 μm(晶粒度6級)，仍符合且優(yōu)于產(chǎn)品行業(yè)標準；而當變形溫度為1 030～1 110 ℃，變形速率極小時，變形時間長，等軸狀再結(jié)晶晶粒已經(jīng)消失，再結(jié)晶晶粒尺寸急劇增大，該區(qū)域可確定為粗大DRX晶粒區(qū)。其余區(qū)域雖處安全區(qū)，但其動態(tài)再結(jié)晶并不完全，可作為GH4169的安全過渡區(qū)。

3 結(jié)論

(1)研究高溫合金GH4169在1 000～1 150 ℃，0.01～10 s-1變形參數(shù)下的熱加工性能，結(jié)合GH4169的流變應(yīng)力曲線發(fā)現(xiàn)，隨著變形溫度的升高和應(yīng)變速率的降低，流變應(yīng)力顯著降低。

(2)GH4169合金在峰值應(yīng)力下的熱變形激活能為436.469 6 kJ/mol，流變應(yīng)力、變形溫度和應(yīng)變速率之間的關(guān)系可用雙曲正弦形式的本構(gòu)方程來描述(見式(7))。GH4169合金出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)應(yīng)力時的熱變形激活能為399.20 kJ/mol，其Arrhenius本構(gòu)方程為見式(8)。

(3)當變形速率為3～10 s-1時為變形失穩(wěn)區(qū)；在變形溫度為1 020～1 100 ℃，應(yīng)變速率為0.03～0.6 s-1時可以得到完全動態(tài)再結(jié)晶晶粒,該區(qū)域可作為GH4169合金的最佳熱加工區(qū)；而當溫度升高至1 100～1 150 ℃時，動態(tài)再結(jié)晶晶粒發(fā)生明顯長大。