陳志遠

（中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095）

高溫合金是指在600℃上高溫條件下，仍能夠承受高強度復雜工作環(huán)境，并保持一定表面穩(wěn)定性的合金。高溫合金在不同國家有著不同的別稱，歐美國家叫高溫合金為超合金(superalloy)，俄羅斯和烏克蘭等國家稱高溫合金為熱強合金或熱強鋼[1,2]。

U720Li合金由美國Special Metals公司開發(fā)，是一種新型的、高強度的析出強化型鎳基高溫合金，它在U720合金基礎(chǔ)上大幅度降低C、B和Cr的含量，Cr含量降低減少了σ相的析出，B、C含量降低減少了針狀碳化物和硼化物的析出，從而不易形成疲勞裂紋源[10]。

U720Li合金作為一種高強型高溫合金，在高溫環(huán)境下依舊具有優(yōu)異的溫強度、抗蠕變、抗疲勞、抗氧化和抗腐蝕性能，在國外航空和地面燃氣輪機中得到了廣泛應用[3-5]。本文就U720Li合金進行了研究。

1 實驗方法

實驗中使用的材料為U720Li合金鑄錠，經(jīng)機械加工為Φ8mm×12mm的圓柱體試樣若干。所涉及的實驗儀器為OLYMPUS GX51型倒置式金相顯微鏡，Tecnai G2 20透射電子顯微鏡，這種透射電子顯微鏡的主要用于觀察各種材料的微觀結(jié)構(gòu)，并對樣品進行納米尺度的微區(qū)分析。

制備金相試樣時切割剩下的另一半試樣，再沿軸向切割取1mm厚的薄片制備透射電鏡試樣，然后用體積比為1:9的HClO4和C2H5OH溶液進行電解雙噴處理，電流為40mA～45mA，電壓為50V，溫度為-40℃～-35℃。然后使用Tecnai G2 20透射電子顯微鏡對顯微組織進行觀察和分析。本研究通過將Φ8mm×12mm圓柱形U720Li合金試樣在變形量60%、變形速度5×10-4s-1、5×10-2s-1、1 s-1、10s-1、變形溫度900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃、1150℃的條件下進行實驗。

2 U720Li合金微觀組織分析

2.1 合金原始組織

圖1是U720Li合金未經(jīng)處理時的金相照片。從圖中可以看出，U720Li合金的原始組織中，有大量黑白灰的金相和一部分黑色的小顆粒，金相主要是γ+γ′雙相等軸組織，黑色的小顆粒則是碳化物，這些碳化物與γ+γ′雙相之間存在相互作用，合金的性能在這種相互作用下會受到一定影響。

圖1 U720Li合金原始組織金相照片

2.2 變形溫度的影響

圖2為U720Li合金應變速率固定為5×10-2s-1時，不同變形溫度條件下的金相顯微組織照片。

從圖2中看，從900℃～1050℃，晶粒隨著溫度升高逐漸變大變明顯，從。圖2(a～d)中看，黑色塊狀為γ相，白色為γ′相。隨著變形溫度升高，這些晶粒在變大的同時，也在沿著同一方向邊長，這是它們在逐漸等軸化。

當溫度升高到1100℃時，如圖2(e)所示，晶粒尺寸略有下降，但是它們變得更加均勻，黑色色塊中夾雜著白色亮點。產(chǎn)生這種現(xiàn)象是因為畸變能的累積，動態(tài)再結(jié)晶充分地進行。圖中，黑色晶粒較大，周圍多圍繞著白色的小晶粒，黑色晶粒是γ相，白色小晶粒是γ′相，這些晶粒互相制約同碳化物一起，阻礙了再結(jié)晶的生長，所以這些晶粒總體看起來都比較小。

圖2 U720Li合金不同溫度下的微觀組織（?=0.05s-1）

溫度為1150℃時，如圖2(f)所示，呈現(xiàn)出明顯的大晶粒，界限明顯而清楚，只有少量的黑色顆粒在視野中。結(jié)合1150℃的應力應變曲線，應力上升一定值后直接進入平穩(wěn)狀態(tài)，這個時候動態(tài)再結(jié)晶并不明顯，晶粒在高溫狀態(tài)下不斷長大，變成圖2(f)中情況。

圖3 U720Li合金在應變速率為0.05s-1時不同溫度下的TEM照片

圖3為U720Li合金在0.05s-1應變速率下處于不同溫度的TEM照片。U720Li合金在900℃下變形時，如圖3(a)所示，視野明顯偏暗，這是因為合金中存在大量的位錯胞。1000℃時，如圖3(b)所示，出現(xiàn)了再結(jié)晶晶粒，這些再結(jié)晶晶粒比較小，可以明顯地看到周圍的晶界。

這些再結(jié)晶晶粒的成因，是圖3(a)中的位錯胞，在位錯不斷滑移，相反方向的位錯相遇互相抵消時，相互結(jié)合形成亞晶界。這些亞晶不斷吸收周圍的位錯胞，漸變?yōu)榇蠼嵌染Ы?，變?yōu)樵俳Y(jié)晶晶粒，完成動態(tài)再結(jié)晶。

1100℃條件下，如圖3(c)所示，可以看到一個晶粒周圍布滿了小亮點，這些小亮點是由較為粗大的γ相轉(zhuǎn)變成的γ′相，γ′相均勻的分布在晶粒周圍，阻止了晶粒的長大，這就是即使變形溫度高達1100℃，晶粒依舊不是很大的原因。

當溫度升高到1150℃時，如圖3(d)所示，巨大的晶粒無法在視野中看到它的全貌。此時γ′相回溶形成了γ′′相，失去了γ′相的抑制，晶粒長大。但此時晶粒過于巨大，滑移系數(shù)量大幅下降，此時該合金成形性能較差。

2.3 應變速率的影響

圖4是U720Li合金在變形溫度固定為1050℃，應變速率為5×10-4s-1～10 s-1時的金相顯微組織照片。

圖4 U720Li合金在變形溫度為1050℃時不同應變速率下的金相組織

圖5 U720Li合金在1050℃變形溫度下不同應變速率下的TEM組織

應變速率影響動態(tài)再結(jié)晶的主要途徑是因為變形量是固定的，變形時間會隨著應變速率的變化而變化并與之成反比。從圖4整體上看，U720Li合金的變形中，應變速率從5×10-4s-1提升至5×10-2s-1時，晶粒變小，應變速率提升至1s-1后，晶粒又變大。如圖4(a),應變速率較小時，晶粒尺寸較大，這是因為完成變形所需時間較長，動態(tài)再結(jié)晶生成的晶?？梢陨L的足夠大。從圖4(b)中可看出，晶粒尺寸較圖4(a)明顯變小，并且有一部分沿同一方向延伸的等軸晶。這是因為應變速率增大，變形時間減少，晶粒尺寸隨之減小。如圖4(c,d)，晶粒尺寸變大，而且有較多的等軸晶。當應變速率大于1s-1時，應變速率較大，變形時間較短，不足以支持大量晶粒發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，所以變形后的組織中出現(xiàn)一部分等軸晶粒，晶粒尺寸變大。

圖5為U720Li合金變形溫度為1050℃，在5×10-4s-1～10s-1應變速率下變形的TEM微觀組織照片。

如圖5(a)所示，當應變速率為5×10-4s-1時，能有較大的再結(jié)晶晶粒與亞晶。由于應變速率較慢，合金有足夠的時間生成位錯胞，完成動態(tài)再結(jié)晶。如圖5(b)所示，當應變速率為5×10-2s-1時，較小的亞晶數(shù)量較多，而幾乎沒有出現(xiàn)再結(jié)晶晶粒。這是因為應變速率的提升，留給合金完成動態(tài)再結(jié)晶的時間不多，動態(tài)再結(jié)晶沒有徹底完成。在低應變速率時，U720Li合金主要通過亞晶的合并進行動態(tài)再結(jié)晶。當應變速率大于1s-1時，如圖5(c,d)所示，視野中只能看到大量的位錯胞，沒有再結(jié)晶晶?；蛘邅喚?。由于變形時間較短，只能形成位錯胞，而這些時間并不足以支持這些大量的位錯胞發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。

3 結(jié)語

①碳化物與γ+γ′雙相之間存在相互作用，U720Li高溫合金的性能在這種相互作用下會受到一定影響。②變形初期，加工硬化占主導地位，隨變形量增加，加工硬化失去主導地位，真應力值下降，而后硬化軟化的作用均下降且影響力相近。③1000℃時亞晶不斷吸收周圍的位錯胞，漸變?yōu)榇蠼嵌染Ы?，變?yōu)樵俳Y(jié)晶晶粒，完成動態(tài)再結(jié)晶。1100℃條件下，較為粗大的γ相轉(zhuǎn)變成的γ′相，γ′相均勻的分布在晶粒周圍，阻止了晶粒的長大。當溫度升高到1150℃時γ′相回溶形成了γ′′相，失去了γ′相的抑制，晶粒長大，滑移系數(shù)量大幅下降，因此U720Li高溫合金成形性能差。