脉冲电流对一种镍基高温合金γ＇相粗化行为的影响

刘 杨，王 磊，冯 飞，张北江，赵光普

（1.东北大学 材料各向异性与织构教育部重点实验室，沈阳 110819;2.钢铁研究总院 高温材料研究所，北京 100081）

脉冲电流对一种镍基高温合金γ＇相粗化行为的影响

刘 杨1，王 磊1，冯 飞1，张北江2，赵光普2

（1.东北大学 材料各向异性与织构教育部重点实验室，沈阳 110819;2.钢铁研究总院 高温材料研究所，北京 100081）

对一种镍基高温合金进行脉冲电流处理，研究了脉冲电流与时效处理过程中γ＇相的粗化行为.结果表明，与相同温度时效状态相比，脉冲电流条件下合金中γ＇相的长大速率显著增加.脉冲电流下γ＇相的粗化遵循Lifshitz－Slyozov－Wagner理论，与时效过程中γ＇相粗化激活能相比降低64.3%.脉冲电流处理过程中，脉冲电子流加剧合金原子自身的热振动，使原子处于相对高能状态，降低合金中原子跃迁激活能;脉冲电流初期由于瞬时升温而形成热应力，提高合金中的空位浓度，加速合金中的原子扩散，促进γ＇相的粗化.

脉冲电流;γ＇相;高温合金;激活能;粗化行为

具有优异性能的镍基高温合金被广泛应用于航空航天发动机、能源动力用燃气轮机、冶金化工以及核工程等领域，是关键部件的重要金属材料［1］.γ＇相的沉淀强化是保证合金良好力学性能的主要强化因素，其体积分数、成分、形貌及粗化程度对合金的高温力学性能都有很大的影响［2］，因此对γ＇相析出、粗化以及分布等的研究具有重要意义.

静电场及脉冲电流处理作为一种新的材料制备及处理技术，受到广泛关注［3，4］.近年来在高温合金领域也开始了相关的研究工作，但主要集中在高温合金凝固过程和成品合金的静电场热处理方面［5，6］，脉冲电流处理对合金析出相、缺陷、结构等方面尚缺乏深入研究.本文将脉冲电流处理应用于一种航空发动机用镍基沉淀强化高温合金，研究了脉冲电流对合金中γ＇相粗化行为的影响，分析了电效应影响γ＇相粗化的机理.

1 试验材料及研究方法

试验用合金的化学成分（质量分数/%）为C:0.003 8，Si:0.08，Mn:0.02，P:0.004，S:0.0012，W:9.99，Mo:5.12，Al:2.18，Ti:1.29，Cr:19.97，Ni余量.合金采用双真空感应炉冶炼成Φ250 mm自耗锭，经锻造成70 mm×180 mm板坯后热轧制成1 mm厚板材，再经冷轧成0.2 mm薄带.将冷轧后的合金切割成100 mm×4 mm×0.2 mm的片状样品，封入充氩气保护的石英管内，在电阻炉内进行1 473 K×300 s的固溶处理，然后快速空冷至室温.

将固溶处理后的合金施加2 000 A/mm2的脉冲电流，脉冲频率为40 Hz，脉冲宽度为45μs，以考察脉冲电流对 γ＇相粗化的影响.将直径为0.07 mm的K型（NiCr－NiSi）热电偶点焊于样品表面，测定脉冲电流处理过程中样品的温升.脉冲电流处理过程中通氩气保护，并通过控制氩气流量调节样品脉冲电流处理温度.为与脉冲电流样品对比，进行了相应的时效处理.

将样品横截面制成金相样品，采用CuSO4（5 g）+HCl（10ml）+CH3CH2OH（20ml）溶液腐蚀，用OLYMPUSOLS 3100激光扫描共聚焦显微镜观察显微组织.将样品制成 TEM样品，采用HClO4（9%）+CH3 CH2OH（91%）溶液电解双喷减薄，在TECNAIG2透射电子显微镜下观察γ＇相形貌.利用OLYCIA m3图像分析系统测量和分析γ＇相尺寸.

2 试验结果与分析讨论

2.1 脉冲电流下合金中γ'相的粗化行为

固溶处理后的空冷过程中，合金中已经析出γ＇相.为研究脉冲电流条件下γ＇相的粗化行为，对合金施加2000 A/mm2、不同时间的脉冲电流，通过控制保护气体流量控制处理温度为823、873和923 K.为与时效状态进行对比，对合金进行了873～1 073 K、不同时间的时效处理.

873 K条件下脉冲电流处理及时效处理后合金γ＇相的TEM显微形貌如图1所示.可见，脉冲电流、时效处理后γ＇相在合金基体上均匀分布，虽然长时间时效处理后γ＇相具有呈立方体形的趋势，但仍以近球形为主.这说明两种处理状态下γ＇相与基体之间错配度较低（小于0.2%）.而且从TEM选区电子衍射结果也可以看出，两种处理过程中γ＇相与基体之间均保持良好的共格关系.873 K脉冲电流处理1 200 s后的γ＇相尺寸远高于相同温度下时效1 200 s和360 000 s的 γ＇相尺寸.

图1 脉冲电流及时效处理后γ'相的TEM形貌Fig.1 TEM m icrographs ofγ'precipitates in the alloy electropulsing and aging:electropulsing at873 K for 300 s

图2给出了不同温度条件下脉冲电流处理及时效处理后合金γ＇相尺寸的统计结果，由图可见，随处理时间的延长和温度的提高γ＇相不断长大，而温度的影响尤为显著.873 K脉冲电流处理1 200 s后γ＇相平均尺寸由18 nm增加至67 nm，而827 K时效处理1 200 s后γ＇相尺寸未见显著变化，827 K时效处理360 000 s后平均尺寸仅为25 nm，1 073 K时效处理1 200 s后 γ＇相平均尺寸也仅为28 nm.这表明，脉冲电流处理能够显著提高合金中γ＇相的长大速率，对合金施加适当的脉冲电流，可以缩短峰时效时间，实现对合金γ＇相尺寸的控制.

图2 脉冲电流及时效处理对γ'相平均尺寸的影响Fig.2 Variation inγ'precipitates average size w ith electropulsing

2.2 脉冲电流下γ'相的粗化激活能

合金中形核并初步长大的γ＇相尺寸细小，具有很高的界面能，因此γ＇相有粗化成具有低界面能的大颗粒的倾向.而γ＇相的粗化是由扩散控制的长大过程，由图3的结果可知，脉冲电流处理可以显著提高γ＇相的粗化速率，这表明脉冲电流具有很强的促进原子扩散的能力［7］.根据代表原子扩散能力的原子扩散系数表达式D=Doexp（－Q/RT）可知，在温度、晶体结构、合金元素等条件相同的情况下，原子扩散能力仅取决于其扩散激活能Q.

图3 温度对粗化速率k的影响Fig.3 Tem perature dependence of the coarsening rate

由图2可知脉冲电流及时效处理过程中，γ＇相平均半径的立方与处理时间均呈线形关系，这表明两种处理条件下合金中的γ＇相的长大均遵循由扩散控制的动力学规律，发生Ostwald熟化，满足L－S－W理论［8］.由此，根据不同处理温度及时间下γ＇相的尺寸变化，对两种处理方式的扩散激活能Q进行计算.

根据L－S－W理论，粒子长大速率与粒子半径符合如下规律:

其中，k为粒子长大速率，¯rt为时间后粒子平均半径，¯r0为粒子原始平均半径.而粒子长大的扩散激活能Q符合如下关系［9］:

其中，T为热力学温度，R为摩尔气体常数，A为常数.图3为脉冲电流处理和时效处理过程中ln（kt）与T－1的关系，由此得到合金脉冲电流处理过程中γ＇相长大的扩散激活能为89.86 kJ/mol，而时效过程中 γ＇相长大的扩散激活能为251.84 kJ/mol.

对于沉淀强化的镍基高温合金而言，γ＇相的长大主要是由Al和Ti元素在基体中的扩散所控制，γ＇相长大的扩散激活能处在250～290 kJ/mol范围 内［10］（Al在 Ni中的扩散激活能为270 kJ/mol，Ti在 Ni中的扩散激活能为257 kJ/mol［11］）.可见合金时效过程中 γ＇相长大的扩散激活能处于正常范围内，而高密度脉冲电流处理过程中，γ＇相长大的扩散激活能与时效条件相比降低了64.3%.合金中的元素扩散直接受扩散激活能的控制，激活能越小扩散越容易进行.这表明，脉冲电流处理过程中扩散激活能的大幅度降低，是其促进γ＇相长大的主要原因.

2.3 脉冲电流影响γ'相粗化行为的机理探讨

已有研究表明，在脉冲电流处理过程中，高速迁移的脉冲电子流会对金属中的全部原子产生巨大的高频周期性冲击作用［4］，加剧原子自身的热振动，使得原子处于相对的高能量状态.由此，原子摆脱相邻原子束缚跃过能垒所需的最低能量降低，从而减小了原子跃迁能垒（ΔEe＜ΔE），使合金中的原子扩散激活能降低.

金属中的原子在扩散过程中存在间隙扩散和空位扩散两种机制.根据 γ＇相的晶体结构［12］和Al、Ti、Ni原子半径可知，Al、Ti原子位于 γ 的晶格节点，在形核与长大过程中两种原子主要以空位机制在基体中进行扩散.而对于空位机制扩散而言，其扩散激活能包括原子跃迁激活能ΔE和空位形成能ΔEv两部分.原子要完成从原位置到相邻位置的移动，除需要克服相邻原子的阻碍以外，还需要其相邻位置有空位存在.脉冲电流处理过程中，运动电子流与原子发生冲击碰撞，导致焦耳热效应产生，在金属中这种由电能转变为热能的速度非常快，温升速率可以达到 106℃ ·s－1［13］.这样的高速加热使金属的热膨胀滞后于温升，形成一个瞬时的热应力［14］，最大热应力可表示为:

其中:E为Young’s模量，α为热膨胀系数.根据本研究实测的脉冲电流处理样品温度结果可知，该合金在脉冲电流处理过程中的温升ΔT约为580 K.如此大幅度的温升，使合金经历 σ=1.83 GPa的热应力冲击.而瞬时热应力作用将使合金中形成大量的过饱和点缺陷，空位浓度得到大幅度提高.而合金中以空位机制扩散的原子跃迁频率与空位浓度成正比［15］，空位浓度的提高，有利于原子扩散速度的增加.因此脉冲电流处理可同时降低空位机制扩散的原子跃迁激活能ΔE和空位形成能ΔEv，加速合金中的原子扩散.

通过以上分析可知，脉冲电流下高速电子流对原子的冲击作用形成的激活能降低是合金γ＇相粗化的主要原因.而由于焦耳热效应所产生的温度升高，虽然未直接影响γ＇相的粗化，但温升速度快而形成的热应力能够增加空位浓度，亦可促进原子扩散.由此可见脉冲电流导致的瞬时高速升温也是降低γ＇相粗化激活能的另一原因.

合金扩散激活能在脉冲电流下的大幅度降低，也必然影响除Al、Ti原子外的其他原子在基体中的扩散速度（间隙扩散机制及空位扩散机制），导致合金中受扩散控制的诸多行为发生改变.

3 结论

（1）脉冲电流处理影响合金中γ＇相的粗化行为，与相同温度时效状态相比，合金在脉冲电流条件下γ＇相的长大速率显著增加.

（2）脉冲电流条件下，合金中γ＇相的粗化遵循L－S－W理论.脉冲电流条件下γ＇相的粗化激活能为89.86 kJ/mol，与时效过程中 γ＇相粗化激活能（251.84 kJ/mol）相比降低了64.3%.

（3）脉冲电流处理过程中，脉冲电子流加剧合金原子自身的热振动，使原子处于相对高能状态，降低合金原子跃迁激活能;脉冲电流处理初期由于瞬时升温而形成热应力，提高合金中的空位浓度，加速合金中的原子扩散，促进γ＇相的粗化.

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Effects of electropulsing treatment on coarsening behavior ofγ'phase in a nikel base superalloy

LIU Yang1，WANG Lei1，FENG Fei1，ZHANG Bei－jiang2，ZHAO Guang－pu2
（1.Key Laboratory for Anisotropy and Texture of Materials，Northeastern University，Shenyang 110819，China;2.Dept.of H igh － Temperature M aterials，Central Iron and Steel Research Institute，Beijing 100081，China）

A nickel base superalloy was treated by high current density electropulsing.The results show that the grow th rate ofγ＇by high current density electropulsing is increased obviously compared w ith that by aging at the same temperature.The γ＇coarsening kinetics by high current density electropulsing follows the LSW theory.The value of activation energy forγ＇coarsening by electropulsing isabout64.31%reduced compared w ith thatby aging.Since the electropulse can accelerate the atom ic thermal vibrations，make the atomsbe in high energy state，the activation energy for atom ic transition during the high current density electropulsing w ill be decreased.On the other hand，the thermal stress induced by the transient temperature rising on the early stage of electropulsing increases the vacancy concentration，accelerates the atom diffusion，and therefore promotes the coarsening ofγ＇phase.

electropulsing;γ＇phase;superalloy;activation energy;coarsening behavior

TG 146.1，TG 111.5

A

1671－6620（2011）04－0288－04

2011－09－15.

国家重点基础研究发展计划 （973）项目 （2010CB631203）;国家自然科学基金项目 （51001021）;国家教育部博士点专项基金项目 （20100042120008，20100042110006）.

刘杨 （1978—），男，黑龙江双城人，东北大学讲师，博士后，E－mail:liuyang@smm.neu.edu.cn;王磊 （1961—），男，河北唐山人，东北大学教授，博士生导师.