固溶處理對(duì)熱等靜壓inonl63合金組織與性能的影響

固溶處理對(duì)熱等靜壓inonl63合金組織與性能的影響

coll525是以莫和nb為主要強(qiáng)化元素的固溶強(qiáng)化銅變形材料。它在650下具有良好的耐性、抗疲勞性能、耐候性和耐腐蝕性。在溫度范圍內(nèi)，它達(dá)到了良好的強(qiáng)度和抗旱性。廣泛應(yīng)用于航空航天和化工行業(yè)。Inconel625合金傳統(tǒng)鑄鍛工藝存在宏觀成分偏析和材料利用率低的缺點(diǎn),粉末冶金方法可有效克服上述缺點(diǎn)。粉末熱等靜壓(Hotisostaticpressing,HIP)可獲得鍛件的優(yōu)異性能,且材料利用率高,用于近凈成形復(fù)雜高性能零件,具有良好發(fā)展?jié)摿?。本課題組前期通過熱等靜壓Inconel625合金粉末,獲得了近全致密、組織均勻復(fù)雜零件。然而,熱等靜壓Inconel625合金粉末時(shí),容易形成原始顆粒邊界,對(duì)性能造成不利影響。張義文等人對(duì)熱等靜壓鎳基高溫合金采用高溫固溶處理,可消除原始顆粒邊界,改善持久性能。王敬忠等人對(duì)G3鎳基合金固溶處理,隨著固溶處理溫度升高,晶粒尺寸逐漸增大,當(dāng)固溶溫度超過1150℃時(shí),晶粒有快速長(zhǎng)大的傾向。AppaRaoG等人對(duì)熱等靜壓Inconel718合金進(jìn)行高溫固溶處理,使得MC型碳化物溶解破壞原始顆粒邊界,強(qiáng)化粒子間鍵合,改進(jìn)合金塑性和持久性能。但國(guó)內(nèi)外對(duì)Inconel625合金熱等靜壓和固溶處理研究較少。郭巖等人對(duì)Inconel625合金在760℃實(shí)施時(shí)效處理,顯著改善了合金強(qiáng)度,但塑性卻顯著下降。為此,本研究設(shè)計(jì)多組固溶處理工藝,研究固溶處理對(duì)熱等靜壓Inconel625合金組織與拉伸性能的影響規(guī)律,探索合理后處理工藝,以改善熱等靜壓Inconel625合金性能。1熱等靜壓壓制試驗(yàn)試驗(yàn)采用氬氣霧化Inconel625合金粉末,化學(xué)成分如表1所示。粉末呈規(guī)則球狀,如圖1所示,粉末平均粒度為25μm左右。首先,將粉末裝入直徑15mm、高90mm、壁厚2mm的45鋼圓筒包套中,經(jīng)振實(shí)初裝密度達(dá)67%;然后,經(jīng)650℃加熱抽真空至1×10-3Pa,采用氬弧焊封焊包套;最后,采用美國(guó)ABB公司QIH-15型熱等靜壓設(shè)備對(duì)包套實(shí)施壓制,工藝參數(shù)為1200℃×120MPa×3h,如圖2所示。采用電火花線切割將熱等靜壓致密Inconel625合金制件切割成截面2mm×5mm、標(biāo)距25mm的拉伸試樣。表面打磨拋光后按表2所示工藝實(shí)施固溶處理。采用荷蘭FEI公司Quanta200型電子顯微鏡(SEM)觀測(cè)微觀組織,應(yīng)用能譜分析儀(EDS)分析組織成分,由布氏硬度計(jì)測(cè)量硬度。采用Zwick/RoellZ010型試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn),拉伸速率2mm/min,由電鏡表征斷口形貌。2試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1固溶溫度對(duì)表面碳化物晶體結(jié)構(gòu)的影響HIP致密Inconel625合金中容易形成原始顆粒邊界(Priorparticleboundary,PPB)。圖3(a)為HIP致密Inconel625合金微觀形貌,存在大量不同尺度的鏈狀和塊狀顆粒物,其中,鏈狀顆粒物即組成PPB。一般來說,PPB主要由碳化物、大尺寸δ相和少量氧化物或碳氧化物組成,各相具體含量與粉末制備工藝和合金成分有關(guān)。碳化物主要在熱等靜壓冷卻過程中形成,尺寸為0.5～2μm。熱等靜壓采用爐冷,1000～700℃停留時(shí)間較長(zhǎng),正好是各類碳化物析出的敏感溫度。這相當(dāng)于短期的時(shí)效處理,導(dǎo)致碳化物的析出。圖3(b～g)為HIP致密Inconel625合金經(jīng)過不同溫度固溶處理后的微觀形貌。與HIP態(tài)相比,碳化物數(shù)量顯著減少,同時(shí)PPB有消退的趨勢(shì)。隨著固溶溫度的逐漸升高,PPB上鏈狀碳化物尺寸逐漸變小,并出現(xiàn)碳化物聚集現(xiàn)象(圖3(d));當(dāng)固溶溫度達(dá)到1100℃和1150℃時(shí),PPB開始退化(圖3(e,f));到1200℃時(shí),已無明顯的PPB,出現(xiàn)少量尺寸較大的條狀碳化物(圖3(g))。這是由于固溶溫度的增加導(dǎo)致原子活動(dòng)能量升高,合金元素?cái)U(kuò)散阻力減小,因此,碳化物更易溶解;但另一方面,溫度的升高導(dǎo)致少量碳化物長(zhǎng)大。圖4為固溶溫度對(duì)HIP致密Inconel625合金性能的影響。可以看出,隨固溶溫度的升高,硬度逐漸下降(圖4(a)),這是由于溫度的升高導(dǎo)致碳化物溶解數(shù)量增多,平均晶粒尺寸略微長(zhǎng)大,合金抵抗變形和破壞的能力下降,即硬度降低。溫度過高時(shí)(如1200℃),少量碳化物長(zhǎng)大,導(dǎo)致硬度急劇下降至214HBS。當(dāng)固溶溫度在950～1150℃范圍時(shí),隨著溫度的升高,抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)小幅波動(dòng),屈服強(qiáng)度呈總體下降趨勢(shì),伸長(zhǎng)率先升后降;固溶溫度超過1100℃時(shí),屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率出現(xiàn)明顯下降。當(dāng)固溶溫度為1100℃時(shí),強(qiáng)度與原始態(tài)相比沒有明顯降低,伸長(zhǎng)率達(dá)到最大值(32.8%),提高了25.8%。隨固溶溫度的升高,HIP致密Inconel625合金內(nèi)的碳化物溶解量逐漸增加,導(dǎo)致強(qiáng)度降低但塑性升高。但固溶溫度過高時(shí)(如1200℃),部分碳化物長(zhǎng)大,且存在過燒組織,導(dǎo)致強(qiáng)度和塑性同時(shí)顯著降低。綜合各項(xiàng)性能指標(biāo),最優(yōu)固溶溫度為1100℃。2.2保溫時(shí)間對(duì)碳化物在碳?xì)洳牧现械奈恢玫挠绊憟D5為HIP致密Inconel625合金1100℃固溶保溫不同時(shí)間后的微觀形貌?？梢钥闯?隨固溶保溫時(shí)間的延長(zhǎng),碳化物溶解量不斷增大,殘留碳化物數(shù)量減少,PPB逐漸消失;另外,碳化物的形狀和尺寸也有所變化。固溶保溫時(shí)間較短時(shí)(見圖5(b,c)),碳化物為尺寸較大的塊狀;隨著保溫時(shí)間的加長(zhǎng),碳化物演變?yōu)榫鶆虺叨鹊那驙?見圖5(d));進(jìn)一步增加保溫時(shí)間(圖5(e,f)),出現(xiàn)碳化物聚集及少量條狀碳化物。圖6為HIP致密Inconel625合金1100℃固溶保溫不同時(shí)間后的性能?？梢钥闯?隨保溫時(shí)間延長(zhǎng),硬度變化不大,略有下降,在230～240HBS之間,高于Inconel625合金冷熱軋等傳統(tǒng)加工下的硬度值(150～220HBS)。抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度呈先升后降的趨勢(shì),保溫時(shí)間為20～30min時(shí),達(dá)到最大,與原始HIP態(tài)相當(dāng)。伸長(zhǎng)率隨保溫時(shí)間的增加逐漸增大,在20～30min時(shí),增幅最大,30min后上升趨向緩和,保溫50min時(shí)伸長(zhǎng)率達(dá)最大34.6%,對(duì)比原始HIP態(tài)提升超30%。保溫時(shí)間較短時(shí)(如10min),碳化物未充分溶解,部分碳化物反而長(zhǎng)大,導(dǎo)致強(qiáng)度下降。隨著保溫時(shí)間的增加(如30min),碳化物數(shù)量減少,以球狀均勻分布,導(dǎo)致強(qiáng)度增加,且大幅提升伸長(zhǎng)率。進(jìn)一步增加保溫時(shí)間(如40～50min),大部分碳化物溶解,部分碳化物發(fā)生聚集和轉(zhuǎn)變,導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度明顯下降,但伸長(zhǎng)率上升趨向緩和。綜合各項(xiàng)性能參數(shù),最佳固溶保溫時(shí)間為30min。綜上所述,截面尺寸2mm×5mm,長(zhǎng)度90mm的HIP態(tài)Inconel625制件,最佳固溶處理工藝為1100℃×30min,水冷。2.3拉伸斷面韌窩的顯微缺陷圖7為原始HIP態(tài)和1100℃×30min,水冷固溶處理后,HIP致密Inconel625合金室溫拉伸斷口微觀形貌。可以看出,原始HIP態(tài)拉伸斷面的韌窩數(shù)量較少,在較大韌窩底部存在夾雜物。夾雜物是顯微空洞成核的位置,在拉力作用下,大量的塑性變形使脆性?shī)A雜物斷裂或使夾雜物與基體晶界脫開而形成空洞,此空洞一經(jīng)形成,即開始長(zhǎng)大、聚集,進(jìn)而形成裂紋。可見,夾雜物促使裂紋萌生和擴(kuò)展,嚴(yán)重影響制件塑性。經(jīng)優(yōu)化的固溶處理后,拉伸斷面韌窩數(shù)量增多,尺度較原始HIP態(tài)減小,且無明顯夾雜物。斷裂僅能沿著原子鍵合力薄弱表面進(jìn)行,呈韌性斷裂特征,在宏觀上表現(xiàn)出更優(yōu)的塑性。3固溶過程和保溫時(shí)間對(duì)碳化物硬度和強(qiáng)度的影響1)固溶處理可以有效消除HIP致密Inconel625合金中的PPB,改善和優(yōu)化其微觀組織與宏觀力學(xué)特性。2)隨著固溶溫度的升高,碳化物溶解更充分,硬度和強(qiáng)度沒有明顯下降,但塑性較原始HIP態(tài)明顯改善;1100℃時(shí)塑性最優(yōu),但固溶溫度過高時(shí)(如1200℃),由于部分碳化物長(zhǎng)大,且存在過燒組織,導(dǎo)致硬度、強(qiáng)度和塑性均發(fā)生劇烈下降。3)隨著固溶保溫時(shí)間