（材料加工工程专业论文）gh625合金的热变形行为及动态再结晶研究.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 本文采用g l e e b l e 38 0 0 热模拟机，对g h 6 2 5 合金进行了热等温 压缩试验，研究了合金在变形温度为9 5 0 - - 1 1 5 0 ，应变速率为 o 0 0 1 5 s 1 变形条件下的热变形行为。结合热加工图和金相组织分 析，确定了该合金的最佳变形工艺参数和失稳区域。借助o m 和t e m 等实验手段，分析了变形条件对动态再结晶组织及微观结构的影响。 主要研究结果如下： 1 在热变形条件下，g h 6 2 5 合金的流变应力曲线有明显的峰值， 表现出动态再结晶特征，且合金的峰值应力及峰值应变随着应变速 率的升高和变形温度的降低而增大，因此可以用双曲正弦函数关系 来描述流变应力和变形条件之间的关系。通过多元线性回归分析， 得出了g h 6 2 5 合金的塑性本构方程和稳态流动应力模型。 2 根据热压缩试验数据，构建了g h 6 2 5 合金的热加工图。通过 分析热加工图后发现，稳态变形阶段主要有三个峰值区域：区域i ( 0 0 0 1 - - - 0 0 0 6 s 一、9 7 0 - - 1 0 1 5 ) 为低温低应变速率区；区域i i ( o 0 0 5 - - - ，0 1 3s 、1 0 2 7 - 1 1 0 0 ) 为中温低应变速率区；区域i ( 0 0 0 1 o 0 0 5s 、1 1 1 4 - 1 1 4 3 ) 为高温低应变速率区。通过分析 这三个区域，发现g h 6 2 5 合金的最佳变形条件为变形温度1 0 5 0 ， 应变速率0 0 1 3s 。 3 在g h 6 2 5 合金的塑性加工图中，存在明显的失稳区域，即合 金在进入稳态变形过程中主要有两个失稳区：区域i ( 1 - 5s 、9 5 0 , - , 9 6 5 ) 为低温高应变速率区；区域i i ( 0 1 5s 一、9 8 2 、一1 1 3 5 ) 为中温高应变速率区。在这些加工范围内，该合金表现出明显的失 稳现象。 4 通过o m 和t e m 分析可知，变形温度的升高有利于再结晶 的发生，并且再结晶晶粒尺寸变大。同时应变速率升高时，虽然动 态再结晶的体积分数降低，但晶粒变得细小。g h 6 2 5 合金在热变形 过程中有第二相粒子析出，在粒子周围有明显的位错塞积现象。通 过对流变应力曲线进行数学处理，建立了g h 6 2 5 合金动态再结晶发 生的临界应变与z 参数之间的关系、动态再结晶的动力学方程和稳 态变形阶段晶粒尺寸与z 参数之间的关系。 关键词：g h 6 2 5 合金，热变形，本构方程，加工图，动态再结晶 中南大学硕士学位论文 a bs t r a c t t h eg h 6 2 5a l l o yh a sb e e nd e f o r m e db yg l e e b l e 一38 0 0t h e r m a l s i m u l a t i o nm a c h i n ei nt h er a n g eo f t e m p e r a t u r e9 5 0 - - 一1 0 5 0 a t0 0 0 1 4 - - 5 s s t r a i nr a t e t h ep l a s t i cd e f o r m a t i o nb e h a v i o r sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d a n dac o n s t i t u t i v em o d e li sd e v e l o p e d o p t i m a ld e f o r m a t i o np a r a m e t e r s a n di n s t a b i l i t yr e g i o n sa r ed e t e r m i n e da c c o r d i n gt ot h ep r o c e s s i n gm a p t h e o r ya n dm i c r o s t r u c t u r e h o ws t r a i n ，d e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ea n d s t r a i nr a t ei n f l u e n c ed r xa n dm i c r o s t r u c t u r e ，w h i c ha r ea n a l y z e db y o ma n dt e m m e a n w h i l e ，d r xd y n a m i ce q u a t i o na n dr e c r y s t a l l i z e d g r a i ns i z em o d e l a r es e tu p t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sh a v eb e e nd r a w n f r o mt h i si n v e s t i g a t i o n ： 1 t h e r ei so b v i o u sp e a ko nt h ef l o ws t r e s sc u r v eo fg h 6 2 5a l l o y d u r i n gh o tc o m p r e s s i o n ，s ot h ec u r v eb e l o n g st ot h et y p eo fd y n a m i c r e c r y s t a l l i z a t i o n m e a n w h i l e p e a ks t r e s sa n dp e a ks t r a i no fg h 6 2 5a l l o y i n c r e a s ew i t ht h ed e c r e a s eo fd e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ea n dd e c r e a s e s w i t ht h ed e c r e a s eo fs t r a i nr a t ed u r i n g s or e l a t i o n s h i pb e t w e e nf l o w s t r e s sa n dd e f o r m a t i o nc o n d i t i o nc a nb ed e s c r i b e db yh y p e r b o l i cs i n e f u n c t i o n c o n s t i t u t i v ee q u a t i o na n ds t e a d y s t a t es t r e s sm o d e lo fg h 6 2 5 a l l o ya r es e tu p b ym u l t i p l el i n e a rr e g r e s s i o na n a l y s i s 2 a c c o r d i n gt ot h ed a t ao fh o tc o m p r e s s i o nt e s t ，p r o c e s s i n gm a p so f g h 6 2 5a l l o ya r ed r a w n i nt h es t e a d yf l o ws t a t e ，t h em 印e x h i b i t st h r e e d o m a i n sw h e r et h ee f f i c i e n c yo fp o w e rd i s s i p a t i o nr e a c h e sal o c a l m a x i m u m ：d o m a i ni ( o 0 0 1 o 0 0 6 s ，9 7 01 0 1 5 h o wt e m p e r a t u r e a n dl o ws t r a i nr a t er e g i o n ；d o m a i ni i ( o 0 0 5 一0 1 3 s ，1 0 2 7 11 0 0 ) 仰e d i u mt e m p e r a t u r ea n dl o ws t r a i nr a t er e g i o n ；d o m a i n i i i ( 0 0 01 o 0 0 5 s ，1 1 1 4 - - - 1 1 4 3 c 卜- h i 曲t e m p e r a t u r ea n dl o ws t r a i nr a t er e g i o n t h eo p t i m a lm e t a l w o r k i n gc o n d i t i o ni sa tt h et e m p e r a t u r eo f10 50 ，t h e s t r a i nr a t eo f0 0 1 3 s 3 a c c o r d i n gt oi n s t a b i l i t ym a p so fg h 6 2 5a l l o y , i nt h es t e a d yf l o w s t a t et h e r ea r et w oi n s t a b i l i t yr e g i m e s ：r e g i m ei ( 14 - - 5 s ，9 5 0 - - - 9 6 5 。c ) 一l o wt e m p e r a t u r ea n dh i 曲s t r a i nr a t er e g i o n ；r e g i m ei i ( o 1 - - 。5 s ， 9 8 2 1 135 h e d i u mt e m p e r a t u r ea n dh i g hs t r a i nr a t er e g i o n i nt h e r e g i o n s ，t h ee f f i c i e n c y o fp o w e rd i s s i p a t i o nd e c r e a s e ss i g n i f i c a n t l y i i 中南大学硕士学位论文 w h i c hm a yb ed u et of l o wl o c a l i z a t i o n 4 t h er e s u l t so ft e ma n a l y s i ss h o w st h a ti ti se a s yt oo c c u rf o r d r x i nt h eh i g hd e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e ，a n dr e c r y s t a l l i z e dg r a i n s s i z e si n c r e a s e sw i t hi n c r e a s eo ft e m p e r a t u r ea n dd e c r e a s eo fs t r a i nr a t e t h e r e i st h ep h e n o m e n o no fs e c o n dp h a s ep a r t i c l e sp r e c i p i t a t i n ga n d d i s l o c a t i o np i l e u pa r o u n dt h ep a r t i c l e s i na d d i t i o n ，v o l u m ef r a c t i o no f d r xd e c r e a s e sw i t hi n c r e a s eo fs t r a i nr a t e b yu s i n gt h ed a t ao ff l o w s t r e s sc u r v e s ，r e l a t i o n s h i pb e t w e e nc r i t i c a ls t r a i na n dzp a r a m e t e r si s f o u n d e d t h es i z eo fr e c r y s t a l l i z e dg r a i n sh a sal i n e a rs h i pw i t hz p a r a m e t e r , a n dt h er e c r y s t a l l i z e dv o l u m ef r a c t i o nc a l lb ee x p r e s s e db y a v r a m ie q u a t i o n k e yw o r d s ：g h 6 2 5a l l o y , h o td e f o r m m i o n ，c o n s t i t u t i v ee q u a t i o n ， p r o c e s s i n gm a p ，d y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n i i i 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 1 1 高泪i k 合金的- , j 概述 向 日立口俩7 【卫 1 1 1 高温合金的定义 第一章文献综述 高温合金是指以铁、钴和镍为基体，并能够在高温及一定的应力下长期工 作的金属材料，一般使用温度高于6 0 0 。也就是说，合金在这样的环境下仍 有较好的抗腐蚀性、抗氧化性、断裂韧性、疲劳性能及塑性，能承受较高的机 械应力和具有良好的表面稳定性【1 1 。 1 1 2 国内外高温合金的发展 英国是最早开展高温合金的研发和应用的国家，形成了自己的一系列高温 合金体系。在1 9 2 9 年，由英国人b e d f o r d 等通过对8 0 n i 2 0 c r 合金添加少量的 铝和钛，发现其蠕变强化作用得到了显著的提升，但是这一点在当时并没有引 起足够的关注【2 3 】，直到1 9 3 2 年英国的m o n d 镍合金公司，也就是后来的国际 镍公司，首次研制成功第一种高温合金n i m o n i c7 5 。在1 9 3 7 年到1 9 3 9 年期间， 德国和英国相继研制出涡轮喷气式发动机，但这对涡轮叶片对材料的耐高温性 和应力承受能力具有很高的要求，并在1 9 4 2 年成功研制出n i m o n i c8 0 高温合 金，该合金的使用温度高出n i m o n i c7 5 合金多达5 0 ，使得该合金成为喷气式 涡轮发动机的叶片材料，并成为世界上最早的n i 3 ( a 1 ，t i ) 析出强化型涡轮叶片材 料。之后该公司通过在合金中添加镐、硼、铝、钴等元素，又成功研制了n i m o n i c 9 0 a 、n i m o n i c8 0 a 等合金，并最早形成了高温合金体系口训。近年来也不断推 出新型号的合金材料，如国际镍公司发展的低膨胀系数合金4 0 0 5 等。 在1 9 3 2 年，美国的h a l l i w e l l 公司研制出含铝和钛合金元素的弥散强化型 k 4 2 b 镍基高温合金，并成功的应用于航空发动机的涡轮。此后美国又成功研 制出航空燃气式涡轮。1 9 4 2 年美国又开发出哈氏镍基合金，该合金被用于 b e l l 5 9 和i 4 0 喷气式发动机上。美国的西屋公司在1 9 4 4 年首次研制出钴基合 金h s 2 3 精密铸造叶片，并应用于y a hk e e l l 9 a 发动机上。美国于1 9 5 0 年出兵 朝鲜，由于国内钻资源的短缺，因而借此机会镍基合金被大力发展并应用于涡 轮叶片。例如，美国的p w 、g e 和特殊金属公司分别研制出了w a s p a l l o y 、m 2 5 2 和u d m i t 5 0 0 等合金，并在此基础上，形成了今天被广泛应用的i n c o n e l 、m a r - m 和u d m i t 高温合金系列【3 】。在上世纪9 0 年代美国又研制出了一些新型的镍基高 温合金，如h a y n e s 2 4 2 、2 3 0 、2 1 4 和5 5 6 等。在高温合金的研究应用中，美国 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 一直保持领先地位，成功研制的i n c o n e l7 18 已经在飞机的发动机上得到了广泛 应用，目前i n c o n e l7 1 8 的产量在美国高温合金中占据首位【5 j 。 在前苏联，镍基高温合金系统是在二次世界大战以后吸收和发展了英国的 n i m o n i c 合金经验，发展起了自己独特的高温合金系列。在1 9 4 9 年到1 9 5 0 年， 前苏联开始仿制n i m o n i c8 0 和n i m o n i c8 0 a ，叫做3 n 4 3 7 和3 n 4 3 7 a 。1 9 5 2 年 在3 a 1 3 7 a 中添加微量的晶界强化元素b ，发展成为力学性能较好的3 a 4 3 7 b ， 同时，在n i c r - a 1 t i 的基础上加入了7 w 和3 m o 进行固溶强化：在1 9 5 4 年成功研制3 a 6 1 7 合金，1 9 5 6 年成功研制出3m8 2 6 和3 a 7 6 7 合金，1 9 5 7 年 进一步提高合金化的程度，发展了3 n 9 2 9 和3 n 7 6 7 合金。以上这些合金主要用 作涡轮叶片材料，与此同时，涡轮盘高温合金也得到了快速发展，1 9 5 0 年成功 研制出3 a 4 8 1 合金，1 9 5 5 年成功研制出3 a 6 9 8 和3 n 7 8 7 ，1 9 5 6 年成功研制3 n 1 0 5 合金，之后又研制出3 n 8 6 8n i c r - w 热稳定合金和3 n 6 6 6n i c r - f e m o 等一系 列变形高温合金【5 】。随着新工艺的出现，前苏联也发展了定向凝固高温合金、 单晶高温合金和粉末高温合金【6 】。 在日本，超塑性镍基高温合金( 如t m p 3 ) 、单晶镍基高温合金( 如t i m s 2 6 ) 和氧化物弥散强化高温合金( 如t m o 2 ) 等方面得到了很大的突破【5 】。 在我国，5 0 年代初开始生产航空涡轮喷气式发动机，但是所用的高温合金 全部从前苏联进口。我国于1 9 5 6 年才进入到研制并生产高温合金的阶段，研制 出的首个高温合金是用于w p 5 火箭筒的g h 3 0 3 0 合金，由抚顺钢厂、鞍山钢 铁公司、冶金部钢铁研究总院、航空材料研究所和4 1 0 厂共同试制。此后用于 w p 5 发动机的g h 4 0 3 3 和k 4 1 2 合金也相继研制成功。到6 0 年代初，我国先 后研发成功g h 4 0 3 7 、g h 3 0 3 9 、g h 3 0 4 4 、g h 4 0 4 9 、g h 3 1 2 8 及k 4 1 7 等高温合 金。我国的科学家经过十几年对高温合金的研制，高温合金的研发和生产终于 初具规模，通过对前苏联高温合金和工艺的仿制，我国部分高温合金的质量已 经达到或者超过前苏联的水平。但是我国缺少镍和钻资源，因而铁基高温合金 的研制成了当时的主线。到上世纪7 0 年代初，我国已经研制出多达3 3 个铁基 高温合金牌号，其中有1 8 种合金是我国自主创新的。直到现在g h l l 4 0 、 g h 2 1 3 5 、g h 3 5 a 和k 2 1 3 等4 种合金仍然被广泛应用p 刁】。 从2 0 世纪7 0 年代中到9 0 年代末是中国高温合金发展的提高阶段。在这一 阶段，我国引进了欧美w s 8 、w s 9 、w z 6 及w z 8 发动机，并研制生产w p 1 3 等发动机。同时引进和试制欧美体系的高温合金，并自行研制和开发了一批新 的镍基合金，如g h 4 1 3 3 、g h 4 1 3 3 b 、g h 3 1 2 8 、g h l 7 0 、k 4 0 5 、k 4 2 3 a 、k 4 1 9 等高温合金，使中国的高温合金生产水平接近西方工业国家的水平佟j 。自1 9 6 4 年以来，高温合金也逐渐的被应用于柴油机增压涡轮、地面燃气轮机及烟气轮 2 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 机等民用部门，并且高温耐磨和耐蚀的高温合金也相继被研发出来。 建国以来，中国研制成功近2 0 0 种高温合金，是继美、英和前苏联之后的 第四个有高温合金体系的国家。几十年来，中国共生产各类高温合金6 万多吨， 保证了中国5 万多台航空发动机及航天火箭发动机生产及发展的需求，也满足 了其他民用工业及部分工业燃气轮机的要求6 7 1 。 1 1 3 高温合金的分类 目前世界全世界研制和生产的高温合金近几百个牌号，对这些高温合金可 以按照不同的方法进行分类。按合金基本元素可将高温合金分为铁基或铁镍基 高温合金、镍基高温合金和钴基高温合金。按合金的强化类型可将高温合金分 为固溶强化高温合金、沉淀强化型高温合金和晶界强化型高温合金。按合金的 成型工艺可将其分为变形高温合金、铸造高温合金和粉末高温合金。按合金的 使用特性可将其分为抗热腐蚀高温合金、低膨胀高温合金、高屈服强度高温合 金和抗松弛合金。按合金用途可将其分为涡轮叶片用高温合金、涡轮导向叶片 用高温合金和燃烧室用高温合金【6 j 。下面简单介绍按合金的成型工艺分类的高 温合金： 1 、变形高温合金：合金通过真空冶炼工艺浇注成锭，然后通过锻造、轧 制等热变形工艺，将锭制成饼坯、棒、板、管等型材、最后模锻成涡轮盘和叶 片等毛坯，经过热处理后加工成成品的涡轮盘和涡轮叶片等关键零部件。这类 合金有g h 2 1 3 5 、g h 2 9 8 4 、g h 2 9 0 1 等1 6 1 。 2 、铸造高温合金：合金通过真空重熔直接浇铸成涡轮叶片、导向叶片等 零部件。铸造高温合金又可以分为普通精密铸造高温合金( k ) ，如k 4 1 7 、k 4 1 7 g 和k 6 4 0 等，定向凝固高温合金( d z ) ，如d z 4 1 7 g 、d z 6 4 0 m 等和单晶高温合金 ( d d ) ，如d d 4 0 3 ，d d 4 0 6 等同。 3 、粉末高温合金：将合金化难变形的高温合金，用气体雾化等方法制成 高温合金粉末，然后用热等静压( h i p ) 或热挤压等方法，将粉末制成棒材，最后 制成涡轮盘等零部件。这类合金有f g h 4 0 9 5 、f g h 4 0 9 6 和f g h 4 0 9 7 等。机械 合金化方法制备的氧化物弥散强化( o d s ) 高温合金也属于粉末冶金高温合金。 这类合金是将元素粉末、中间合金粉末和氧化物弥散相y 2 0 3 等混合均匀，加入 到高能球磨机中，合成氧化物相弥散均匀的合金粉末，然后通过h i p 或热挤压， 制成棒材或再轧制成板材，最后加工成涡轮叶片、导向叶片或火箭筒等零件。 这类合金有m g h 2 7 5 6 、m g h 2 7 5 7 和m g h 4 7 5 4 等归j 。 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 4 高温合金塑性成形的特点 高温合金复杂的合金成份和特有的微观组织结构决定了其塑性成形工艺 不同于其它的金属材料。与其它类型的金属材料相比，具有如下成形特点【9 】： 塑性比较低：高温合金由于合金化程度较高，导致它的塑性较低，尤其是 在较高温度下具有组织的多相性和相成份含有硫、铅、砷等杂质元素，这些相 和元素降低了晶粒之间的结合力而导致了塑性降低。此外，高温合金的工艺性 能对变形条件和应力状态十分敏感。 变形抗力较大：高温合金成分十分复杂且再结晶温度很高，因此在变形时 变形抗力很高和硬化很大，其变形抗力是普通结构钢的4 7 倍，并且硬化系数 随变形温度的降低比普通钢升高的快。 热加工温度范围较窄：与钢相比，高温合金的熔点要低一些，这是由于高 温合金中加入了很多的合金元素。另外，高温合金的再结晶温度也很高，但是 为了得到均匀细小的晶粒组织，热加工的温度应选择在再结晶温度以上，这就 导致了高温合金能够进行热加工的温度范围变小。因而使其热变形时温度控制 较难，温度过高就会产生过热或者过烧缺陷，而温度过低就会产生裂纹或混晶 等现象。 导热性较差：和碳钢相比，高温合金在低温时的导热系数要低很多。高温合 金从室温升高到7 5 0 左右时的导热系数很小，因此它应采用缓慢的加热方式， 之后在以快的加热速度加热到塑性加工的温度。否则，升温过快的话，则会产 生很大的热应力，使高温合金处于脆性状态。 没有相变和重结晶现象：高温合金的基体是从低温到高温转变的奥氏体组 织，在加热过程中不会产生相的重结晶和多晶体转变，当形成粗大的组织后就 不能采用相变重结晶的方法来细化晶粒。热变形时的动态再结晶对合金的显微 组织影响十分大，所以高温合金的热变形工艺参数的选择就显得尤为重要。 综上所述，高温合金的热加工性能与其他金属不同，主要是在温度较低时 的导热性差，高温变形时的变形抗力大，塑性差，加工温度范围较窄。同时， 热加工工艺对合金的性能有较大的影响，不能依靠热处理来细化晶粒，主要通 过对变形工艺的改善来控制。 1 2g h 6 2 5 合金简介 g h 6 2 5 合金( 相当于美国合金牌号i n c o n e l 6 2 5 ) 是由国际镍公司在上世纪 5 0 年代，为了满足高强度主蒸汽管道材料需求而研制的一种镍基变形高温合金。 后来中国仿制取名为g h 3 6 2 5 ，由钢铁研究总院带头研制。g h 6 2 5 合金是一种 4 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 以镍为主要成分的奥氏体超耐热合金，具有优良的耐腐蚀和搞氧化性能，适用 于包括喷气式飞机引擎环境以及航空发动机、化学加工在内的许多领域【l 仉1 3 】。 在低温至1 0 9 3 ，该合金亦具有非凡的抗疲劳特性。g h 6 2 5 合金的强度来源于 镍铬合金中所含的钼、铌固溶体强化效应【1 4 d5 1 。这些元素也使该合金具有卓越 的耐腐蚀特性。虽然该合金是为适应高温环境的强度而设计的，但其众多元素 之间的联合使其具有对一般腐蚀的高度耐受能力，以及对广泛氧化和非氧化环 境的耐受能力【16 1 。铬、钼含量使合金具有抗氯化物离子产生的蚀损斑的优良特 性，高镍含量增强合金对氯化物应力腐蚀裂化的抵抗能力。这种材料具有高度 成型性，较许多以镍为主的合金更易焊接，即使在被焊接的条件下，该合金仍 然具有较好的抗晶间腐蚀能力。 1 2 1g h 6 2 5 合金中合金元素的作用 g h 6 2 5 合金中主要有n b 、m o 、a 1 、t i 和c r 等几种合金元素，一般采用 析因实验的方法来确定该合金的有效成分。n b 在合金中的溶解度在2 5 左右， 并随着钼和铬含量的减少而升高。合金中铝的溶解度在0 5 左右【l 。 n i 含量为5 7 左右时，对退火g h 6 2 5 合金的持久强度的影响达到最大值。 n b 含量小于2 时，对合金性能的影响较小，但是当n b 含量超过3 时， 退火+ 时效后屈服强度将会迅速增加，而对合金基体只有微弱的强化效果。 m o 可以提高基体的强度，通过与n b 的交互作用增强了时效硬化的作用， 同时降低了暴露时的冲击强度。 c r 在g h 6 2 5 合金中的含量要高于其他高温合金，这样使得该合金的抗腐 蚀能力得到很大的提高。如果将c r 含量从1 6 增加到2 2 时，可以升高基体 的强度，但对这些c r 含量下的时效硬化响应选择性却没有任何的影响。m o 和 c r 尤其是n b 可以提高基体的蠕变强度。 为了将g h 6 2 5 合金的时效硬化作用降到最小，a l 和f e 必需保持较低的含 量。因为加入低含量的砧和t i 的好处在于，它可以改善合金的的可焊接性能 和钎焊性能，若采用较高含量的铝和钛的硬钎焊合金时就不必镀镍【l o 】。 1 2 2g h 6 2 5 合金的抗腐蚀性能 g h 6 2 5 镍铬合金由于其优异的抗腐蚀性能而得到广泛的应用，这是由于该合 金中铬和钼的含量要高于一般的高温合金，这一点为合金提供了高度抗缝隙腐 蚀、点腐蚀、晶间腐蚀和侵蚀的能力，使其拥有很强的抗氯离子腐蚀的能力，对 海水和盐溶液具有很高的耐腐蚀性，在高温时也一样。g h 6 2 5 合金也具有很好的 耐无机酸腐蚀性，如硝酸、磷酸、硫酸及盐酸等，同时在氧化或还原的环境中也 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 具有耐有机酸腐蚀和碱的性能。g h 6 2 5 合金对众多腐蚀环境从高度氧化环境到适 度减轻的氧化环境均具有耐腐蚀的特性。在静态或循环环境中都具有抗碳化和氧 化性，并且也耐含氯的气体腐蚀。 低热盐水试验结果表明，g h 6 2 5 合金对地热水具有极高的耐受性，其耐腐蚀 程度可与二级钛媲美。模拟管道煤气脱硫环境试验表明，g h 6 2 5 合金与g h 3 1 6 l 材料相比具有极高的抗腐蚀能力，其抗腐蚀程度可以比得上g h 2 7 6 合金。 基于这些特点【1 0 。1 7 j ：g h 6 2 5 合金被广泛用于摩托炮艇推进器的叶片、泊船的 缆绳、潜艇辅助推动电机、海军用船的排气管道、潜艇快速脱离接头、海底通信 用电缆的保护外套、海底传感控制器和蒸汽管线膨胀节等。潜在的应用包括弹簧、 密封、电缆接头、水下控制用膨胀节、柔性装置、紧固件和海洋学用仪表部件。 1 2 - 3g h 6 2 5 合金的热处理及热加工工艺 虽然g h 6 2 5 合金不能通过热处理来强化基体，但是为了消除冷加工所产生的 残余应力的影响，必需进行退火。第一种，一般退火的温度为1 0 9 5 , - - , 1 2 0 5 ，空 冷或水淬；第二种，退火温度为9 3 0 - 1 0 4 0 c ；第三种，消除应力的温度为9 0 0 。c 1 5 j 。 上述三种情况的保温时间取决于体积和板带材的厚度。比如，带材的保温时 间要比大截面的短些。对于前两种情况，通常要保温0 5 - l h ，而对于第三种情 况要保温l h , - 一4 h t l 0 1 。合金在8 1 5 以下使用时，一般不采用第一种热处理制度。 而在8 1 5 以上使用时并且需要较好的抗蠕变性能时才采用这种方法。对于冷轧 和拉拔等工艺，也可以通过高温固溶退火使合金能被最大程度软化【l0 1 。第二种热 处理是比较常用的一种方法，可以用来获得1 0 4 0 下的最佳持久性能和综合抗拉 强度，并且经过这种热处理后合金在低温下的塑性和韧性也相当的好。第三种热 处理，一般用于在6 5 0 以下，并且要求最高的硬度、疲劳强度、屈服强度和抗 拉强度的用途，并且在冷冻温度下的韧性和塑性也十分好。对于8 1 5 以下工作 且需要较好的抗拉强度、疲劳强度和屈服强度，并且要求细小的晶粒度时，有时 也采用第三种热处理【1 0 】。应注意的是，g h 6 2 5 合金的热处理应在不含硫的弱还原 气氛中进行，其中c o 的含量应不低于2 。 g h 6 2 5 合金可以采用一般加工工艺进行加工，在热加工温度范围内的变形抗 力十分大，因此，需要采用大功率锻压设备。加热温度为11 7 7 ，成型或锻造的 最低温度为1 0 1 0 ，当温度低于此温度时，合金变硬，难于变形，继续加工会在 温度比较低的部位开裂，并且在加热的过程中要尽量避免产生摩擦热，否则可能 会导致过热。为了防止双晶或混晶结构产生，加工时应当注意均匀变形，用开口 锻模锻造时，最后变形量应不小于1 5 2 0 。合金在6 5 0 或6 5 0 以下使用时， 一般根据要求采用热轧、冷轧或退火状态的材料。由于该合金在很低温度下，仍 6 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 有很好的塑性和韧性，因此，为了在中温下使用，可通过可以通过冷加工来提高 合金的拉伸性能。 1 2 4g h 6 2 5 合金的强化相和沉淀相 1 2 4 1g h 6 2 5 合金中的强化相 高温合金主要依赖于第二相强化，它又分为时效析出沉淀强化、铸造第 二相骨架强化和弥散质点强化等。高温合金的时效强化主要是y7 ( 慨彳，乃) ， y ( n g 。n b ) 或碳化物的时效沉淀强化。弥散强化主要是氧化物质点或其他化合物 质点的强化。钴基铸造合金多为碳化物骨架强化。对于g h 6 2 5 合金的强化机制， 主要为时效析出沉淀强化。 g h 6 2 5 合金的时效强化对退火温度十分敏感，尤其是在尺寸较小的试样 中，退火温度很高将会导致对直接时效的较小响应。当试样尺寸较大时，退火 之后应以缓慢速率冷却，并让材料在7 3 2 , - - , 8 4 3 的形核温度范围内长时间停留。 在这个温度区间内停留将会产生沉淀效应，使得亚临界状态的y 。相核心快速长 大，并且在6 4 9 下漫长的时效过程允许有体心四方y ”相颗粒沉淀出来。在 7 6 0 - 7 8 8 的温度范围内只需要2 到4 m i n 的时间，就将引起比6 4 9 下更好的 时效效果【。 g h 6 2 5 合金并没有产生大多数铝钛硬化合金中所发现的类似于面心立方沉 淀，而是沉淀出具有a b c d e f 的堆垛次序的亚稳定的体心四方y ”和一种具有a b a b 的堆垛次序的稳定的斜方n i 3 n b 相。y 相对合金基体有着极大的强化作用，所 以在时效硬化中y ”是最有用的相。而斜方n i 3 n b 相与基体并不共格，因而它只 起到了弥散硬化作用【l 们。 1 2 4 2g h 6 2 5 合金的沉淀相 g h 6 2 5 合金的沉淀相主要有晶间二次碳化物和金属间化合物沉淀，其中由 于碳化物硬而脆的本质及其非共格析出的特点，对合金也起到了强化的作用， 其特点为，低温下位错以o r o w a n 绕过方式通过碳化物：增加碳化物数量及弥 散度有利于提高强化效果，但过分高的碳饱和度，往往有利于形成大块碳化物， 引起脆性；强化基体。镍基高温合金由于可以获得共格的n i 3 ( a 1 t i ) 或y 金属间 化合物强化相而得到了非同寻常的发展，使其成为现代不可缺少的高温合金。 ( 1 ) g h 6 2 5 合金中的晶间二次碳化物 g h 6 2 5 合金在退火处理过程中析出了二次晶间碳化物，同时随着退火温度 的改变，还可以观察到m 2 3 c 6 和m 6 c 9 碳化物。由于它们有着非常接近的晶格参 数的类似面心立方结构，所以这两种晶间碳化物的沉淀范围通常采用金相检验 方法，通过晶界对金相浸蚀不同的敏感性来确定。对于9 5 0 以下温度范围形 7 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 成的碳化物，则发现其具有强烈的优先晶界溶解的现象，而在9 5 0 1 0 7 5 c 之 间沉淀出的碳化物，则没有发现这种优先于晶界溶解的现象。 合金在9 0 0 - 9 5 0 c 之间的温度范围内观察到的m c 碳化物具有树枝状形 貌或者菱形形貌。在8 0 0 1 0 7 5 之间的温度进行沉淀处理后发现有m 6 c 碳化 物析出，而m 2 3 c 6 沉淀则是在9 5 0 7 0 0 c 的温度范围内析出的。表1 1 列出了 对不同晶间碳化物进行的能量散射x 射线分析的部分结果。钼是m 6 c 碳化物的 主要的元素组分，而铬和铌则是m 2 3 c 6 中的主要的成分元烈1 0 1 。 表1 - 1 碳化物萃取的x 射线分析 t a b l e 1 - 1x - r a ya n a l y s i so fc a r d i d ee x t r a c t i o n ( 2 ) g h 6 2 5 合金中的金属间化合物沉淀 g h 6 2 5 合金在6 5 0 - - - - 8 2 0 之间的温度长期时效后发现了6 烈i 3 n b ) 和y ” 相沉淀。6 相主要以针状形式存在，在以富集大量n b c 的区域沉淀出来。针状 的6 相好像是通过n b c 颗粒部分的溶解和随后铌沿着y - n b c 界面扩散来生长 的。沉淀往往是不均匀的，并且优先沿着位错析出。 ，。的沉淀量不多，当时效时间在1 0 - 1 0 0 h 以内，可以不将g h 6 2 5 合金当 作极限抗拉应力和屈服强度随着时效温度而变化的时效硬化合金型来研究。由 于晶间碳化物的析出，g h 6 2 5 合金的面缩率和伸长率随之降低【l o j 。 1 3 材料的热变形行为和动态再结晶研究 1 3 1 材料的高温力学行为 变形温度高于材料熔点的绝对温度0 6 倍的加工称为热加工。在金属的热 a n - r 过程中，金属内部存在着流动的同时，也发生着微观组织变化，这对金属 的性能有着很大的影响。材料的热变形行为研究一般借助于热压缩实验，测定 恒定变形温度、应变速率的真应力真应变数据，然后利用这些数据建立所需的 流变应力模型。金属材料热变形过程类似于蠕变过程【1 8 】，金属高温变形力学的 8 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 研究是建立在材料高温蠕变行为研究的基础上发展起来的。流变应力、变形温 度和变形速率三者之间的关系可以采用蠕变过程中的相应关系式来表示，这一 点广泛的被研究工作者所接受。 金属材料的流变应力研究一般是在不同的变形温度、变形速率和变形程度 下进行，通过单向压缩或者拉伸时的峰值应力、屈服应力或稳态应力的大小来 衡量的。 材料变形时的流变应力一般由两部分组成，一是作用在位错上的外加应 力，二是与结构相关的局部内应力。在材料塑性变形的初期，随着应变程度的 增大，位错密度增加，产生加工硬化，使得流变应力增大，材料微观组织也会 发生变化，比如亚晶的形成、晶粒的破碎等，此时前者对流变应力的影响要显 著高于前者。材料在高温塑性变形过程中，由于动态回复和动态再结晶的软化 作用，使得材料的位错密度降低，因而位错上的外加应力不能无限增加，而是 达到某一值时保持基本不变。同时动态回复和动态再结晶的发生使材料的微观 组织发生了变化【l9 1 ，如亚晶的长大、多边形化和动态再结晶晶粒等的形成，这 又影响了局部内应力的变化。流变应力是二者的瞬时值之和，前者是z 参数的 函数，而后者是组织的函数，也就是说局部内应力与材料内部的相组成、位错 组态和位错密度有很大的关系【2 0 】。 在金属塑性加工工程中，流变应力除了受到化学成分、热处理制度及晶粒 大小的影响外，还与热变形工艺参数有关，比如变形温度、应变速率及变形程 度有关。对于化学成分和组织状态一定的金属材料，变形温度t 、变形速率营、 变形程度g 及变形时间t 等因素构成了综合的变形条件【2 l 】。因此，流变应力可 以由下面的函数表示【2 2 。2 4 】： ， 仃= f ( t ，营，占，t )( 1 1 ) 在材料的热变形过程中，一般不考虑时间对流变应力的影响，则式( 1 1 ) 就 可简化为： 仃= f ( t ，叠，占) = z ( 丁) 厶( 叠) 六( s )( 1 - 2 ) e p a c z k o 等人指出【2 5 】，在冷变形和温变形的时，材料遵从以下的数学关系 式： 盯= b 占力量m ( 1 3 ) 其中，b 6 为材料的常数，n 为应变硬化指数，m 为应变速率敏感系数。戴维 斯和纳戴首先将该式应用到金属的蠕变行为研究上，此外它还被应用到分析扭转 试验和板料成形极限条件下剪应变值和单向切应力之间的关系【2 6 】。但是，上式没 有考虑到温度的影响，因此在研究材料的高温塑性变形时，该公式只能作为近似 9 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 关系式。 z u z i n 等人2 7 1 在研究钢镦粗试验变形温度的影响时，采用了含温度项的幂 指数来描述变形温度对流变应力的影响，即： 仃= 1 ；1 1 8 门舌me x p ( 一b t )( 1 4 ) t v i n h 等人【2 8 1 提出了另一种变形温度范围较大时的关系式： 盯= 占”营”qe x p ( 一6 f 丁) ( 1 - 5 ) - 一o 。 f i l 为了更方便地研究材料变形时，应变速率、温度及应变与流变应力之间的关 系，l i t o n s k i 2 9 1 提出了较为简单的关系式，即： 仃= a ，s ”套”t 吖( 1 - 6 ) 上述三式中a l 、a i 、1 1 2 均为与材料有关的经验常数。 金属和合金的热变形与蠕变过程类似一受热激活控制的过程。在热变形过 程中，材料在任何应变或稳态下的流变应力都取决于变形温度和变形速率。它 的流变应力可用变形速率、变形温度及变形程度来表示。在低应力水平下的流 变应力和变形速率之间的关系可以用如下的指数关系进行描述 3 0 - 3 2 】： 营= 4 盯仇( 1 - 7 ) 式中，誉为变形速率，o 为流变应力，a l 和n 1 为与变形温度无关的常数。 在高应力水平下三者满足如下关系： 营= 4e x p ( f l c r ) ( 1 8 ) 式中，a 2 和p 也是与变形温度无关的常数。z e n e r 和h o l l o m o n 于1 9 4 4 年， 在钢的高速拉伸实验中，提出了z 参数的概念，同时验证了它是描述流变应力 的一种方法 3 3 - 3 5 。z 参数的物理意义为【3 6 】：温度补偿的变形速率因子，依赖于 温度t 而与热变形激活能q 无关；q 反映了材料变形的难易程度，也是材料在 热变形中的重要力学性能参数。 式( 1 7 ) 和式( 1 。8 ) 描述了应变硬化和动态软化之间的动态平衡，与稳态蠕变 变形过程对应的关系非常相似。因此，s e l l a r s 和t e g a r t 于1 9 6 6 年提出了一种双 曲正弦关系式用来描述热激活稳态变形行为，该式包含了温度和激活能的影响 【3 7 】： 吾= a s i n h ( a c r ) ”e x p ( - q r t ) ( 1 - 9 ) 式中，n 为应力指数，a 为与温度无关的材料常数，仅为应力水平参数，t 为绝对温度( k ) ，r 为气体常数。此式适用于所有的应力水平，其中0 【、p 和n l 1 0 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 之间满足a = p n l p 驯的关系。变形速率和变形温度之间的关系用z e n e r - h o l l o m