高 佩

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

0 引言

GH2984是一種綜合性能良好的鐵鎳基高溫合金，以Mo，Cr等元素固溶強(qiáng)化及Al，Ti，Nb和C等元素產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化，并通過一定的Cr含量保證其良好的抗氧化和抗腐蝕性能，主要用于艦船用過熱器，也是700 ℃先進(jìn)超超臨界鍋爐用管材的重要候選材料[1-10]。GH984G是在GH2984的基礎(chǔ)上通過提高Cr，Al及Ni含量，降低Fe含量，并添加微量B元素而研制出的一種改進(jìn)型時(shí)效強(qiáng)化型高溫合金，其高溫持久性能、組織穩(wěn)定性、抗氧化性等均得到提升，同時(shí)具有優(yōu)良的加工性能[11-14]。目前，針對(duì)GH984G合金的研究主要為耐腐蝕性能、組織及性能、焊接工藝、熱壓縮試驗(yàn)等[13-16]，而有關(guān)GH984G合金熱拉伸行為研究未見相關(guān)報(bào)道。參考國(guó)內(nèi)高溫合金熱拉伸行為研究現(xiàn)狀[17-21]，本文采用熱模擬試驗(yàn)機(jī)及微觀分析等手段研究GH984G合金在應(yīng)變速率為1 s-1、溫度為950～1 200 ℃時(shí)的熱拉伸行為，為制定GH984G合金材料的熱加工工藝提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

GH984G合金材料真空感應(yīng)(VIM)+真空自耗(VAR)雙聯(lián)工藝冶煉，合金錠經(jīng)過高溫均質(zhì)化熱處理后快鍛及徑鍛成規(guī)格為?250 mm的坯料，坯料經(jīng)精加工后在60 MN擠壓機(jī)上擠壓成規(guī)格為?135 mm×16 mm的荒管，化學(xué)成分如表1所示。

表1 GH984G合金化學(xué)成分

1.2 試驗(yàn)方法

在上述GH984G合金荒管上截取一段長(zhǎng)約130 mm的管段試樣，然后線切割1個(gè)尺寸約為20 mm×10 mm×15 mm(長(zhǎng)×寬×厚)的縱向金相試樣和8個(gè)尺寸約為130 mm×12 mm× 15 mm(長(zhǎng)×寬×厚)的縱向條狀試樣。

對(duì)縱向金相試樣進(jìn)行研磨、粗拋、精拋，并采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的草酸進(jìn)行電解侵蝕，然后在ZEISS Axiovert 40MAT型金相顯微鏡下進(jìn)行觀察，按GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》中規(guī)定的直線截點(diǎn)法測(cè)量平均晶粒尺寸，再采用ZEISS EVO18型掃描電子顯微鏡對(duì)合金中的第二相顆粒進(jìn)行觀察和能譜分析。

將8個(gè)縱向條狀試樣機(jī)加工成尺寸為?10 mm×116 mm的熱拉伸試樣，兩端螺紋尺寸為M10 mm×15 mm。采用Gleeble-3500型熱模擬試驗(yàn)機(jī)將8個(gè)熱拉伸試樣以10 ℃/s的速率分別加熱到指定溫度并保溫3 min后開始拉伸試驗(yàn)，試樣斷裂后立即快冷，加熱溫度分別為950,1 000,1 050,1 100,1 125,1 150,1 175,1 200 ℃，拉伸應(yīng)變速率均為1 s-1，測(cè)量每個(gè)試樣斷裂后頸縮處的最小直徑，然后計(jì)算斷面收縮率Z。對(duì)每個(gè)拉伸斷裂后的試樣，一個(gè)斷口采用掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察，并分析其形貌；另一個(gè)斷口沿軸向切割后制成金相試樣，并在金相顯微鏡下觀察，然后利用圖像分析軟件Image Pro Plus6.0測(cè)量斷口附近再結(jié)晶百分比。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱擠壓管顯微組織

GH984G合金熱擠壓荒管縱向侵蝕態(tài)光學(xué)顯微組織如圖1所示。

圖1 GH984G合金熱擠壓荒管縱向金相組織

從圖1可以看出，GH984G合金基體為奧氏體組織，且存在少量孿晶，合金平均晶粒尺寸為142 μm，平均晶粒度約2.3級(jí)。此外，合金晶界及晶內(nèi)存在第二相顆粒，有的呈點(diǎn)狀，有的呈鏈狀沿縱向分布，掃描電鏡下顯微組織如圖2(a)所示。經(jīng)能譜分析可知，該第二相顆粒主要為富Nb，Ti的碳化物(如圖2(b)所示)，碳化物尺寸最大達(dá)6 μm。

(a)碳化物形貌

(b)碳化物能譜分析

2.2 熱塑性曲線

GH984G合金在應(yīng)變速率為1 s-1時(shí)的抗拉強(qiáng)度及斷面收縮率隨溫度的變化曲線如圖3所示?？梢?，該合金在950 ℃的抗拉強(qiáng)度為539 MPa，且隨著溫度的上升，抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)連續(xù)下降趨勢(shì)，當(dāng)溫度上升到1 200 ℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度為145 MPa，達(dá)到最低；合金在950 ℃時(shí)的斷面收縮率為68.6%，且隨溫度的上升呈現(xiàn)先增大、后減小的趨勢(shì)，當(dāng)溫度上升到1 100 ℃時(shí)，斷面收縮率為96.2%，達(dá)到最大值，塑性最佳，溫度繼續(xù)上升，斷面收縮率開始緩慢下降，溫度超過1 150 ℃后，下降速度加快，超過1 175 ℃時(shí)，急劇下降，直到溫度為1 200 ℃時(shí)，斷面收縮率達(dá)到最小值63.8%。合金在溫度為1 000 ～ 1 175 ℃時(shí)，斷面收縮率均≥85.4%，塑性達(dá)到最佳范圍。

圖3 GH984G合金熱抗拉強(qiáng)度及斷面收縮率 隨溫度的變化曲線

2.3 斷口分析

圖4示出GH984G合金在不同溫度下進(jìn)行熱拉伸試驗(yàn)后斷裂試樣的宏觀形貌。

圖4 GH984G合金熱拉伸后的宏觀形貌

從圖4可以看出，GH984G合金在不同溫度下進(jìn)行熱拉伸后，均在試樣中部發(fā)生了截面頸縮現(xiàn)象，且頸縮處縮減量隨溫度的升高而發(fā)生變化。當(dāng)熱拉伸溫度為950 ℃時(shí)，試樣斷口截面有較明顯的縮減，說明在該溫度下合金具有一定的塑性；隨著溫度的升高，縮減量越來越大，說明合金的塑性也越來越好；當(dāng)溫度升高到1 100 ℃時(shí)，試樣斷口處縮減量達(dá)到最大，塑性最佳；隨著溫度的進(jìn)一步升高，斷口處縮減量開始緩慢減小，但不明顯；當(dāng)溫度升高到1 175 ℃時(shí)，縮減量開始明顯減?。划?dāng)溫度為1 200 ℃時(shí)，斷口處縮減量最小。由此可見，GH984G合金熱拉伸后的斷口處縮減量變化與斷面收縮率隨溫度的變化趨勢(shì)一致。

GH984G合金在不同溫度進(jìn)行熱拉伸后的試樣斷口宏觀形貌如圖5所示。合金在不同溫度下的熱拉伸斷口尺寸隨溫度的升高而呈先減后增的趨勢(shì)，且斷口均有許多大小不等、深淺不一的圓形或橢圓形的韌窩及孔洞，隨著溫度的升高，單位面積內(nèi)韌窩及孔洞數(shù)量逐漸增加，可見其塑性隨溫度的升高而增加。當(dāng)溫度超過1 100 ℃時(shí)，韌窩及孔洞數(shù)量開始緩慢減少，深度也開始緩慢變淺，但并不明顯，塑性緩慢下降；溫度繼續(xù)升高，達(dá)到1 175 ℃時(shí)，斷口尺寸開始增大，韌窩及孔洞數(shù)量明顯變少，深度也明顯變淺，溫度升到1 200 ℃時(shí)，斷口尺寸顯著增大，韌窩及孔洞數(shù)量變少、深度變淺的程度更加顯著。

圖5 GH984G合金拉伸宏觀斷口形貌

GH984G合金在950，1 100，1 200 ℃進(jìn)行拉伸后斷口在高倍下的形貌如圖6所示?？梢钥闯?，合金在950 ℃進(jìn)行拉伸后，斷口等軸韌窩多而淺，少量較深，可見合金具有較好的塑性，屬于韌性斷口；當(dāng)溫度為1 100 ℃時(shí)，試樣斷口布滿了許多較深的孔洞和韌窩，少量韌窩較淺，塑性良好；當(dāng)溫度升到1 200 ℃時(shí)，斷口有大量小韌窩，均較淺，伴有少量孔洞，此外斷口出現(xiàn)了少量解理臺(tái)階，塑性下降。

圖6 GH984G合金拉伸斷口高倍形貌

2.4 金相組織分析

圖7示出GH984G合金在不同溫度下熱拉伸斷口的軸向顯微組織，可以看出，在950 ℃進(jìn)行拉伸時(shí)，原始晶粒沿試樣軸向被拉長(zhǎng)，在碳化物顆粒、原始晶界及孿晶界等處優(yōu)先發(fā)生了局部動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，主要是因?yàn)檫@些位置形核能量較低，如圖8所示。經(jīng)測(cè)量，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶面積分?jǐn)?shù)約為74.07%，再結(jié)晶晶粒平均尺寸約為4.91 μm；當(dāng)溫度升高到1 000 ℃時(shí)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶面積分?jǐn)?shù)增加到98.46%，再結(jié)晶晶粒尺寸長(zhǎng)大到8.44 μm；當(dāng)溫度在1 050～1 200 ℃時(shí)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶面積分?jǐn)?shù)為100%，即發(fā)生了完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，此時(shí)形成了均勻的等軸再結(jié)晶晶粒，合金斷口附近動(dòng)態(tài)再結(jié)晶面積分?jǐn)?shù)及平均晶粒尺寸隨溫度的變化曲線如圖9所示。

當(dāng)合金在950 ℃進(jìn)行熱拉伸時(shí)，裂紋源優(yōu)先在碳化物顆粒與晶界界面處、原始晶界與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶交界處產(chǎn)生，且隨拉伸應(yīng)力的增加而不斷擴(kuò)展，最終發(fā)生斷裂，如圖8所示。

圖7 GH984G合金拉伸斷口軸向金相組織

圖8 GH984G合金950 ℃拉伸斷口軸向顯微組織

綜上所述，當(dāng)GH984G合金在應(yīng)變速率為1 s-1、溫度在950 ℃及1 000 ℃進(jìn)行熱拉伸時(shí)，發(fā)生了局部動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，且溫度越高，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶面積分?jǐn)?shù)越大，且再結(jié)晶晶粒尺寸也越大；在1 050 ℃拉伸時(shí)，發(fā)生了完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。結(jié)合合金熱拉伸強(qiáng)度及斷面收縮率與溫度的關(guān)系曲線、斷口形貌及軸向顯微組織，當(dāng)應(yīng)變速率為1 s-1時(shí)，GH984G合金最佳的熱變形溫度范圍為1 050～1 175 ℃。

圖9 GH984G合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶面積分?jǐn)?shù)及晶粒尺寸 與溫度的關(guān)系

3 結(jié)論

(1)在應(yīng)變速率1 s-1、溫度在950～1 200 ℃范圍內(nèi)進(jìn)行熱拉伸時(shí)，隨溫度的升高，GH984G合金的抗拉強(qiáng)度不斷下降，斷面收縮率先增大、后減小；合金在1 000～1 175 ℃范圍內(nèi)塑性良好，其中在1 100 ℃時(shí)，塑性最佳。

(2)GH984G合金在950 ℃拉伸后，斷口截面有明顯縮減，且有許多等軸韌窩，具有一定的塑性；隨著溫度的升高，截面縮減量、單位面積內(nèi)韌窩及孔洞數(shù)量均呈先增加、后緩慢減小的趨勢(shì)，塑性也呈現(xiàn)相應(yīng)的變化趨勢(shì)；當(dāng)溫度達(dá)到1 200 ℃時(shí)，截面縮減量、單位面積內(nèi)韌窩及孔洞數(shù)量均最小，塑性最差。

(3)GH984G合金在950 ℃進(jìn)行拉伸時(shí)，發(fā)生了局部動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，且動(dòng)態(tài)再結(jié)晶面積分?jǐn)?shù)隨溫度的升高而逐漸增加，當(dāng)溫度在1 050～1 200 ℃時(shí)，發(fā)生了完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，且再結(jié)晶晶粒尺寸隨溫度的升高而不斷長(zhǎng)大。綜上所述，當(dāng)應(yīng)變速率為1 s-1時(shí)，GH984G合金最佳的熱變形溫度范圍為1 050～1 175 ℃。