熱軋工藝對MGH754合金板材組織及性能的影響

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李帥華柳光祖楊崢

(鋼鐵研究總院高溫材料研究所，北京100081)

摘要：通過組織分析和斷口分析等方法，研究了軋制方向對MGH754合金板材組織和高溫強度的影響。結果表明：由于發(fā)生了相對完全的二次再結晶，橫向軋制板材能得到理想的終態(tài)組織。同時，橫向板材的高溫強度特別是持久強度要優(yōu)于縱向軋制板材。合理分配儲存能，從而最終發(fā)生完全的二次再結晶，獲得盤狀粗晶組織是MGH754合金板材獲得優(yōu)異高溫強度的前提。

關鍵詞：MGH754合金板材；橫向軋制；持久強度；二次再結晶

中圖分類號：TG115 文獻標識碼：A 文章編號：1001-0777(2009)03-0014-04

MGH754(美國牌號MA754)合金是一種性能優(yōu)異的氧化物彌散強化(Oxide DispersionStrengthened，ODS)高溫合金，與傳統(tǒng)高溫合金利用析出沉淀相進行強化有所不同，它是利用納米級(<50 nm)的Y₂O₃粒子對基體進行彌散強化，使合金在高溫下具有高強度和高抗氧化性的一種高溫合金^[1]。正因為其優(yōu)異的高溫性能，MGH754合金棒材已經在許多航空航天的關鍵部件得到了應用。而近十幾年來，其合金板材也漸漸地受到了重視，美國的高性能飛機發(fā)動機計劃已經把MA754合金板材指定為燃燒室系統(tǒng)的主要構成材料，同時在航天領域，歐美等航天技術先進國家也將采用MA754合金板材取代傳統(tǒng)的陶瓷防熱瓦。

但是，MGH754合金板材的加工制備工藝還不太成熟，尤其是在中國還沒有這方面的研究。本文則是從工藝的角度出發(fā)，來討論熱軋方向對MGH754合金板材組織及高溫力學性能的影響。

1 實驗材料及研究方法

實驗材料為MGH754合金的熱擠壓坯料，其化學成分(質量分數(shù)，％)見表1。

將兩塊厚度為30 mm的熱擠壓坯料在1 100℃分別進行縱向(板材1)軋制和橫向(板材2)軋制，變形量大約為90％，軋制后的板坯厚度為2．5 mm左右�？v向軋制即是軋制方向與熱擠壓方向平行，橫向軋制則是軋制方向與熱擠壓方向垂直。

接著將兩塊板坯進行二次再結晶退火處理，工藝參數(shù)為1 335℃×2h。

在兩塊板坯上分別取樣，加工成80 mm×16mm的板材試樣，分別進行高溫拉伸和高溫持久試驗，實驗溫度為1 093℃。同時，在退火前和退火后的板坯上取樣，進行磨制、拋光和腐蝕。腐蝕劑成分CuCl₂：HCl：酒精為3 g：50 mL：30 mL。并運用Leica MEF-4A圖像儀進行金相組織觀察。另外在JSM-6480LV掃描電子顯微鏡上觀察試樣斷口，來分析合金斷裂原因。

2 實驗結果及分析

2．1 板材組織

圖3所示為軋制前合金擠壓坯料的微觀組織，晶粒非常細小，已經達到納米級別，一般為0．3～0．6μm的等軸晶組織。而在1100℃經過縱向軋制后，組織見圖1(a)，晶粒已經沿著軋制方向長大到300μm左右，并有進一步長大的趨勢。退火后的組織見圖1(b)，相比退火前的組織，板材中央的晶粒有所長大，但是不太明顯，晶粒長度一般小于1mm，而且晶粒大小不一，波動較大，局部區(qū)域分布一些小晶粒。而在板材兩側，組織為10μm左右的等軸晶粒。

經過橫向軋制后的板材組織見圖2(a)，組織為10μm左右的等軸晶粒，分布相對均勻，相比軋制前的熱擠壓坯料組織，晶粒略有長大。經過退火處理，板材組織變?yōu)楸P狀粗晶組織，晶粒尺寸約為800μm～1 mm，而且沿著最后的軋制方向有一定的伸長[圖2(b)]。這與圖1(b)的縱向軋制板材的終態(tài)組織有著明顯的區(qū)別。

縱向熱軋板材的軋態(tài)組織晶粒比較粗大[圖1(a)]，與T．R．Bieler^[2]的試驗結果相似。而他認為，熱軋板材在1100℃左右的軋制過程中，組織發(fā)生動態(tài)再結晶，并伴隨有部分的二次再結晶的發(fā)生。所謂的二次再結晶即晶粒的異常長大，當一次再結晶完成之后，隨著保溫時間的延長或者溫度的升高，在晶粒的正常長大受到阻礙的條件下，某些晶粒發(fā)生的突然長大，最后通過吞并其周圍的小晶粒而形成的粗大組織^[3]。而在MGH754合金板材中，細小的Y₂O₃粒子可能就是再結晶之后晶粒正常長大的阻礙，同時由于板材在高溫條件下導致了彌散粒子的不均勻分布，從而使一部分晶粒具有迅速長大和吞并周圍小晶粒的能力。在此過程中，發(fā)生二次再結晶的驅動力是形變儲存能。正因為此，在隨后的退火中，發(fā)生二次再結晶的動力不足，從而導致板材得不到理想的組織^[2]。而橫向軋制后的組織雖然有所長大，但是晶粒大小均勻，只發(fā)生了動態(tài)再結晶和晶粒的正常長大，并沒有過多地消耗儲存能，從而使板材在隨后的退火中有足夠的儲存能來驅使二次再結晶的發(fā)生。

2．2 力學性能

如表2和3所示，橫向軋制板材的高溫拉伸和持久強度都優(yōu)于縱向軋制板材。造成這種差別的原因主要是兩者組織的差別。兩者相比，前者的組織較為粗大，而后者組織是晶粒尺寸不一，大小混雜，晶界面積要大于前者。眾所周知，金屬中的晶界是不規(guī)則的原子排列。在高溫狀態(tài)下，晶界變得極不穩(wěn)定，擴散易于通過晶界進行，晶界的強度小于晶內的強度。與室溫下的晶界強化機制不同，此時的晶界已經變成了弱化區(qū)域，從而降低了合金的強度。圖4為兩者的拉伸斷口。圖4(a)為縱向軋制板材的拉伸斷口形貌，斷口有大量的二次裂紋，多集中在晶界處，并有凹坑出現(xiàn)，這主要是由于組織內晶粒的尺寸所決定的。由于晶界成為不穩(wěn)定區(qū)域，沿晶斷裂成為主要的斷裂方式。而圖4(b)中的層片狀形貌則是由其組織決定的，斷裂大多沿著盤狀粗晶組織兩端的橫向晶界進行。

由于MGH754合金服役環(huán)境的特殊性，高溫持久強度是其至關重要的力學性能指標，而橫向軋制板材占有明顯的優(yōu)勢。通過對兩者斷口的分析發(fā)現(xiàn)，沿晶斷裂是其蠕變斷裂的主要方式。有文獻^[5]指出，在MGH754合金的蠕變中，空洞多是由于晶界的滑動和晶界上的顆粒所造成的，并且沿著晶界迅速擴展導致材料斷裂失效。從圖5中可看出，兩者均為沿晶斷裂，裂紋多是沿著晶界進行，兩者的不同之處在于，縱向軋制板材的晶粒體積小，晶界較多。所以空洞形核點多，從而更容易擴展為裂紋，導致材料發(fā)生斷裂。