李誦斌,陳飛鵬,諶日葵,習(xí)瑤瑤,馮永山,吳俊杰,李閣平

(1.江西銅業(yè)技術(shù)研究院有限公司,江西 南昌 330096)(2.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所,遼寧 沈陽 110055)

0 引 言

金屬鉬(Mo)是一種體心立方金屬,在高溫下容易氧化,室溫下容易脆斷,同時(shí)加工性能較差,這在一定程度上限制了其性能表現(xiàn)和應(yīng)用范圍;然而,通過添加稀有金屬錸,可以顯著改善鉬的性能。金屬錸被認(rèn)為是改善鉬金屬性能效果最好的元素,利用“錸效應(yīng)”,可以降低鉬錸合金的塑-脆轉(zhuǎn)變溫度,提高再結(jié)晶溫度,提升鉬合金的強(qiáng)度,并有效改善其加工性能。此外,添加錸還能抑制碳和氧元素的脆化作用,提高鉬錸合金的焊接性能[1-3]。尤其是當(dāng)錸的含量超過40%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)時(shí),鉬錸合金展現(xiàn)出出色的高溫抗熱震性、高低溫塑性和高溫力學(xué)性能。因此,鉬錸合金在核工業(yè)、電子工業(yè)、航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域中得到廣泛推薦和應(yīng)用[4-7]。

鉬錸合金憑借其得到改善的加工性能,適用于生產(chǎn)絲材、板材、管材和棒材等多種合金制品。然而,由于其在制備過程中容易氧化,導(dǎo)致加工過程十分復(fù)雜。為了克服這個(gè)問題,通常采用粉末冶金或熔煉法制備鉬錸合金。劉沙等[8]研究了 Mo-3%Re合金的垂熔和干氫高溫?zé)Y(jié)過程,并對(duì)比分析了兩種制備方法對(duì)拉絲工藝的影響,結(jié)果顯示:經(jīng)干氫燒結(jié)的Mo-3%Re合金展現(xiàn)出了更細(xì)小的晶粒組織及更高的抗拉強(qiáng)度、延伸率和顯微硬度,表現(xiàn)出更優(yōu)越的可加工性能。張軍良等[9]采用電子束懸浮熔煉鉬錸合金,發(fā)現(xiàn)制備的合金鑄錠晶粒粗大,使得熱加工性能變差,在鍛造過程中出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。因此工業(yè)上大多采用粉末冶金方法制備鉬錸合金制品[10-13]。

鉬錸合金絲通常是由粉末冶金制備的鉬錸合金棒材加工而成的。這種制備方法包括旋鍛、拉絲等熱塑性變形工藝。這些加工工藝能夠根據(jù)需求調(diào)整形狀和尺寸,使鉬錸合金絲適應(yīng)各種應(yīng)用。鉬錸合金在加工過程中往往存在嚴(yán)重的加工硬化現(xiàn)象,這主要是由于晶粒細(xì)化、位錯(cuò)密度增加及晶界強(qiáng)化等因素共同作用。Mannheim等[14]研究發(fā)現(xiàn):隨著錸含量的增加,鉬錸合金的加工硬化現(xiàn)象變得更加嚴(yán)重。這給鉬錸合金的進(jìn)一步深加工帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn),可能導(dǎo)致產(chǎn)品成材率低和產(chǎn)品質(zhì)量不可控等問題。因此,在鉬錸合金經(jīng)過一定的加工變形后,采用適當(dāng)?shù)臒峒庸すに?如退火和熱處理)至關(guān)重要。這些工藝有助于恢復(fù)材料的塑性,減輕加工硬化效應(yīng)[15]。國(guó)內(nèi)外對(duì)鉬錸合金絲的研究報(bào)道相對(duì)較少,尤其是退火溫度對(duì)鉬錸合金絲的組織結(jié)構(gòu)和性能方面的研究少之又少。本文旨在研究退火溫度對(duì)鉬錸合金絲的組織結(jié)構(gòu)和拉伸性能的影響,以期為改進(jìn)鉬錸合金絲的生產(chǎn)工藝、提高絲材性能和控制產(chǎn)品成材率提供科學(xué)的依據(jù)。通過深入理解退火溫度對(duì)鉬錸合金絲的影響,可以制定合理的退火方案,優(yōu)化絲材的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。這將有助于推動(dòng)鉬錸合金絲的應(yīng)用和發(fā)展,并滿足不同領(lǐng)域?qū)Ω咂焚|(zhì)鉬錸合金絲的需求。

1 試驗(yàn)過程

采用粉末冶金法制備Mo-47.5%Re合金絲。首先將99.95%純度的鉬粉與99.99%純度的錸粉按比例稱取后進(jìn)行球磨混粉,再依次經(jīng)過冷等靜壓成形、高溫?zé)Y(jié)、旋鍛、拉拔等工藝流程制得直徑φ1 mm絲材。對(duì)上述工藝制備的拉拔態(tài)鉬錸合金絲進(jìn)行退火處理,保溫時(shí)間為1 h,退火氣氛為氫氣氣氛,退火溫度分別為1 100、1 300 ℃和1 500 ℃,并對(duì)不同溫度下退火處理的絲材進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)觀察和性能測(cè)試。

采用布魯克D8 Advance型XRD測(cè)試絲材的物相結(jié)構(gòu);對(duì)絲材進(jìn)行離子束拋光處理后,進(jìn)行EBSD測(cè)試;采用FEI Strata 400S聚焦離子束掃描電鏡切取絲材的透射電鏡樣品,在FEI Tecnai F20透射電鏡上進(jìn)行顯微組織觀察;采用萬能試驗(yàn)機(jī)在室溫下測(cè)試絲材的應(yīng)力應(yīng)變曲線。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 物相分析

針對(duì)拉拔態(tài)和退火態(tài)的Mo-47.5%Re合金絲進(jìn)行了物相結(jié)構(gòu)表征,圖1(a)、(b)展示了在30°～90°范圍內(nèi)的XRD圖譜,分別對(duì)應(yīng)絲材的橫截面和縱截面。從圖譜中可以觀察到Mo-47.5%Re合金絲在測(cè)試范圍內(nèi)主要呈現(xiàn)四個(gè)衍射晶面,分別為(110)、(220)、(211)和(220)。

圖1 Mo-47.5%Re合金絲的截面XRD圖譜

通過對(duì)比絲材的橫截面和縱截面的衍射峰強(qiáng)度,我們發(fā)現(xiàn)從樣品的縱截面測(cè)量到的晶面取向呈現(xiàn)隨機(jī)分布,沒有明顯的織構(gòu);從橫截面測(cè)量到的晶面則表現(xiàn)出較為強(qiáng)烈的<110>織構(gòu)。這表明鉬錸合金絲經(jīng)過拉拔工藝形成了橫截面上(110)晶面平行于拉拔方向的絲織構(gòu)。此外,退火溫度的升高未對(duì)<110>織構(gòu)產(chǎn)生顯著影響。

2.2 晶粒組織分析

采用EBSD技術(shù)表征Mo-47.5%Re合金絲在退火前后的組織結(jié)構(gòu),以獲取其晶粒尺寸和取向,并研究退火溫度對(duì)絲材組織的影響。圖2、3展示了Mo-47.5%Re合金絲在不同狀態(tài)下的橫截面和縱截面的反極圖。由圖2可知:隨著退火溫度的增加,單位橫截面內(nèi)的晶粒數(shù)量逐漸減少,這表明隨著退火溫度的升高,絲材的晶粒尺寸逐漸增大。未經(jīng)退火處理的絲材晶粒尺寸約為0.3～0.5 μm,經(jīng)過1 500 ℃退火處理1 h后,晶粒尺寸增大至5～7 μm。此外,從反極圖可以觀察到綠色是主要顏色,這意味著Mo-47.5%Re合金絲材在拉拔方向上呈現(xiàn)<110>絲織構(gòu),這與XRD結(jié)果一致。從圖3可以看出:未退火的Mo-47.5%Re合金絲的組織呈現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)的纖維結(jié)構(gòu)。這主要是由于絲材經(jīng)歷了大變形量的拉拔擠壓過程,導(dǎo)致內(nèi)部積累了大量加工硬化產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力;經(jīng)過退火處理后,纖維晶粒組織逐漸碎化,隨著退火溫度的增加,細(xì)長(zhǎng)的纖維結(jié)構(gòu)開始轉(zhuǎn)變?yōu)槎檀值亩汤w維結(jié)構(gòu),最終纖維結(jié)構(gòu)消失,取而代之的是沿拉拔方向伸長(zhǎng)的再結(jié)晶組織。在退火溫度為1 100 ℃時(shí),觀察到絲材的組織中仍存在較多的變形晶粒,并且周圍布滿大量細(xì)小的再結(jié)晶晶粒。這表明再結(jié)晶尚未完全發(fā)生。然而,當(dāng)退火溫度達(dá)到1 300 ℃時(shí),變形晶粒已經(jīng)完全被等軸晶粒所取代,隨著退火溫度升高到1 500 ℃,晶粒尺寸明顯進(jìn)一步增大。此外,隨著退火溫度的升高,絲材的纖維織構(gòu)沒有發(fā)生變化,但織構(gòu)強(qiáng)度卻逐漸增強(qiáng)。

圖2 Mo-47.5%Re合金絲橫截面的反極圖

圖3 Mo-47.5%Re合金絲縱截面的反極圖

這可以根據(jù)定向形核理論來解釋:含有較大變形織構(gòu)的金屬組織在再結(jié)晶的形核過程中,晶粒會(huì)優(yōu)先朝著與原始織構(gòu)相一致的取向生長(zhǎng),從而形成具有一致紋理的再結(jié)晶組織。而具有較強(qiáng)織構(gòu)強(qiáng)度的晶粒會(huì)優(yōu)先生長(zhǎng),并吞噬那些織構(gòu)強(qiáng)度較弱的晶粒,這就是增加退火溫度會(huì)增強(qiáng)絲材織構(gòu)強(qiáng)度的原因[16]。這些觀察結(jié)果與退火溫度對(duì)晶界能量和晶粒長(zhǎng)大的影響一致,隨著退火溫度的升高,晶界能量減小,晶界遷移速率增加,從而促使晶粒的長(zhǎng)大和再結(jié)晶的進(jìn)行。

2.3 TEM顯微組織分析

為了進(jìn)一步分析Mo-47.5%Re合金絲的微觀組織,使用TEM對(duì)拉拔態(tài)和1 300 ℃退火態(tài)的絲材在拉拔方向上的組織進(jìn)行觀察,結(jié)果見圖4。從圖4可以看出:未經(jīng)退火處理的絲材晶粒形成了形變帶組織,并在形變帶中存在大量拉長(zhǎng)的位錯(cuò)胞組織,這表明絲材經(jīng)歷了顯著的加工硬化。然而,當(dāng)絲材經(jīng)過1 300 ℃退火處理1 h后,晶粒組織出現(xiàn)了平直的大角度晶界,這表明絲材發(fā)生了再結(jié)晶。退火處理有利于硬態(tài)絲材內(nèi)部的空位擴(kuò)散和位錯(cuò)發(fā)生滑移和攀移。形變帶中一些相鄰亞晶粒之間的公共邊界上的位錯(cuò)通過滑移和攀移過程重新組合和分布,從而使亞晶更加完整,最終形成無畸變的組織結(jié)構(gòu)[11, 17]。結(jié)合EBSD分析結(jié)果可知:Mo-47.5%Re合金絲的完全再結(jié)晶溫度大致在1 300 ℃附近。

圖4 Mo-47.5%Re合金絲的TEM顯微組織

2.4 力學(xué)性能分析

拉拔態(tài)與不同溫度退火態(tài)的Mo-47.5%Re合金絲的應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖5。從圖5可以看出:未經(jīng)退火處理的拉拔態(tài)絲材具有最高的抗拉強(qiáng)度,達(dá)到2 026 MPa,但斷后伸長(zhǎng)率僅為1.5%。這是因?yàn)槔螒B(tài)的絲材已經(jīng)在拉伸方向形成了<110>織構(gòu),這種織構(gòu)對(duì)延伸率有不利影響。退火溫度對(duì)Mo-47.5%Re合金絲的力學(xué)性能產(chǎn)生明顯影響。退火態(tài)絲材的抗拉強(qiáng)度有所降低,但斷后伸長(zhǎng)率明顯增加。這是因?yàn)橥嘶饝B(tài)的絲材經(jīng)歷了回復(fù)與再結(jié)晶的過程,從纖維狀組織向等軸狀組織轉(zhuǎn)變,纖維狀組織的比例逐漸減少,等軸狀組織的比例逐漸增加。這會(huì)導(dǎo)致變形儲(chǔ)能逐漸釋放,從而降低合金的抗拉強(qiáng)度,但提高其塑性[18]。隨著退火溫度的升高,抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率都逐漸下降。在1 100 ℃下退火后,在室溫下測(cè)得抗拉強(qiáng)度為1 125 MPa,斷后伸長(zhǎng)率為23.9%;而在1 500 ℃下退火后,在室溫下測(cè)得抗拉強(qiáng)度為1 055 MPa,斷后伸長(zhǎng)率為21.5%。這是因?yàn)殡S著退火溫度的升高,絲材的晶粒逐漸長(zhǎng)大,并形成了更粗大的等軸晶。這種晶粒長(zhǎng)大會(huì)導(dǎo)致晶界的移動(dòng)和位錯(cuò)滑移受到限制,從而降低材料的拉伸性能。綜上所述,退火溫度對(duì)Mo-47.5%Re合金絲的力學(xué)性能有明顯影響。通過退火處理,可將絲材從原有的拉拔態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂休^高延展性的等軸晶態(tài)。然而,過高的退火溫度會(huì)導(dǎo)致晶粒粗大,降低絲材的力學(xué)性能。因此,在實(shí)際加工和應(yīng)用過程中需要在延展性和強(qiáng)度之間做出權(quán)衡,選擇適當(dāng)?shù)耐嘶饻囟冗M(jìn)行處理。

圖5 不同狀態(tài)下Mo-47.5%Re合金絲的應(yīng)力應(yīng)變曲線

3 結(jié) 論

通過對(duì)拉拔態(tài)的φ1 mm Mo-47.5%Re合金絲進(jìn)行1 100～1 500 ℃退火處理,并分析退火溫度對(duì)絲材組織結(jié)構(gòu)和性能的影響,得出以下結(jié)論:

(1)不同溫度下的退火處理沒有對(duì)絲材的<110>織構(gòu)產(chǎn)生顯著影響,表明退火處理對(duì)晶體取向沒有明顯的改變。

(2)隨著退火溫度的升高,拉拔態(tài)絲材中細(xì)長(zhǎng)的絲狀晶逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槎檀值亩汤w維結(jié)構(gòu),最終形成等軸狀的再結(jié)晶組織。加工過程中形成的變形帶組織也會(huì)隨著位錯(cuò)的滑移和攀移逐漸消失,形成沒有畸變的組織結(jié)構(gòu)。絲材的再結(jié)晶發(fā)生溫度大約在1 300 ℃左右。

(3)退火處理顯著提升了絲材的塑性,可改善絲材的可加工性能。隨著退火溫度的升高,絲材的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率逐漸下降。在1 100 ℃下進(jìn)行退火處理得到的絲材表現(xiàn)出最佳的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率,抗拉強(qiáng)度為1 125 MPa,斷后伸長(zhǎng)率為23.9%。結(jié)果表明:在適當(dāng)?shù)耐嘶饻囟认?Mo-47.5%Re合金絲的晶體結(jié)構(gòu)能夠得到良好的再結(jié)晶,絲材的塑性得到明顯改善。