GH738合金在不同变形条件下的再结晶过程

王建国，刘 东，张 睿，杨艳慧，郑 勇

(西北工业大学材料学院，陕西 西安 710072)

0 前言

GH738合金 (国外牌号Waspaloy)是以γ＇相沉淀强化的镍基高温合金，具有良好的耐燃气腐蚀能力，较高的屈服强度和疲劳性能，工艺性能良好，组织稳定，可在815℃以下使用，广泛用于制造航空发动机转动部件。GH738合金显微组织由γ相、γ＇相、一次碳化物MC相、二次碳化物M23C6相及少量μ相和σ相组成。FCC结构的 γ相为基体，点阵常数约为0.352～0.360 nm。同为 FCC结构的 γ＇相的含量约为22%，是GH738合金的主要强化相，点阵常数为 0.356 ～0.361 nm［1-3］。

Semiatin，Fagin研究了单晶Waspaloy合金在热加工过程中的变形行为，确定了基本的滑移系为({111}。Shen 等建立了 Waspaloy合金在锻造过程中的微观结构演化模型［5］。姚志浩等通过物理热模拟实验，建立了GH738合金在热变形过程中的微观组织演化模型和应力－应变模型［6］。Stone等研究了Waspaloy在塑性成形过程中的微应变演化特征［7］。本文通过压缩锥形试样研究了温度和变形程度对GH738合金微观组织的影响，分析了不同变形程度下，合金的再结晶晶粒尺寸、再结晶体积分数和平均晶粒尺寸的演化情况，为制定GH738合金热态变形工艺提供了理论依据。

1 实验材料与方法

实验材料为GH738高温合金，其化学成分为 (质量分数/%):0.05C，19.8Cr，4.29Mo，3.02Ti，1.33Al，13.6Co，0.78Fe，0.07Zr，余量为Ni。试样取自Φ125 mm的轧棒，经机加工后获得的锥形试样尺寸如图1所示。通过压缩锥形试样研究了GH738合金在变形温度在1060～1180℃范围内，变形程度25% ～82%范围内的微观组织演化行为。模具材料为K403铸造高温合金，模具预热温度950℃。实验在3150 kN液压机上进行，滑块速度为5 mm/s。试样压缩后冷却方式为空冷。

试样变形后用线切割沿纵向切开，经研磨、抛光、腐蚀后用光学显微镜进行显微组织分析。假定变形过程只改变晶粒形状，变形晶粒的体积变化主要由再结晶过程控制。因此，可以认为尺寸为一定大小的晶粒为再结晶晶粒，剩余的拉长晶粒为残余原始晶粒。

图1 锥形试样外形及尺寸Fig.1 Configuration and dimension of conical sample

假设试样初始高度为l0，变形后的高度为l，将等效应变视为真应变，变形后的等效应变与名义应变可以通过以下公式进行换算:

从式 (1)和式 (2)可得:

应用DEFORM软件对锥形试样压缩过程进行数值模拟，压缩后试样纵截面上等效应变分布情况如图2所示，从纵截面中心开始，沿径向依次取8个样点 (图3)，由这8个点的等效应变，根据公式 (4)计算出各点的名义应变，见表1。

2 实验结果

2.1 温度对GH738合金微观组织的影响

图4为不同温度下压缩后试样纵截面中心点处的微观组织 (图3中的a点)。从图可以看出，动态再结晶形成的细晶组织和未发生动态再结晶的原始组织明显不同。在1060℃时，动态再结晶形成的细晶粒主要分布在原始晶粒的边界上 (图4a)，一定数量被拉长的原始晶粒仍然存在。当温度上升至1120℃时，再结晶过程完成的较为充分，原始晶粒大部分已经被再结晶的细晶粒所代替 (图4c)，只存在数量极少的未再结晶晶粒，再结晶体积分数明显增大，大部分区域为细晶组织。当温度上升到1180℃时，再结晶体积分数减小，存在较大尺寸的被拉长的原始晶粒 (图4e)。表2为不同温度下试样中心处的再结晶晶粒尺寸和再结晶体积分数。从表可以看出随温度的升高，再结晶晶粒尺寸增大;再结晶体积分数先增加后减小。这是因为晶界的平均迁移率与 e－Qm/RT(Qm为晶界迁移的激活能)成正比［8］，温度越高，晶界的平均迁移率越大，晶粒的长大速度越快，再结晶的晶粒尺寸逐渐增大。晶粒长大是通过大角度晶界的迁移来进行的，晶界总是向着曲率中心的方向移动，因此晶粒长大的过程就是“大吞并小”和凹面变平的过程。当温度从1120℃升高到1180℃，未再结晶的大晶粒的晶界的迁移速率比再结晶晶粒晶界的迁移速率大，造成未再结晶的大晶粒吞食小晶粒而长大，再结晶体积分数下降。

表1 样点位置与对应的名义应变Table 1 Location of sample points and their corresponding nominal strain

图4 不同温度下压缩后试样中心处的组织Fig.4 Microstructures at centre of compressed samples under different temperatures

表2 试样中心处的再结晶晶粒尺寸和再结晶体积分数Table 2 Recrystallizated grain size and volume fraction at center of samples

2.2 变形程度对GH738合金微观组织的影响

图5为1120℃变形后从试样纵截面中心沿径向的微观组织变化情况 (图5(a) ～ (h)分别对应于图3中的 (a) ～ (h)点的微观组织)。从图5可以看出，在变形程度较大的(a)、(b)、(c)、(d)处，原始晶粒由于变形被压扁拉长;在变形程度相对较小的 (e)、(f)、(g)、 (h)处，原始晶粒基本呈等轴状，等轴晶粒的平均尺寸在75～110 μm范围内。随着变形程度的减小，动态再结晶的体积分数不断减小，点 (a)、(d)、(f)处的动态再结晶体积分数为分别为91%、40%和10%。随着变形程度的进一步减小，动态再结晶不再发生，例如点 (g)、(h)处为晶粒尺寸在60～110 μm范围内的等轴晶粒，几乎没有细小动态再结晶晶粒。动态再结晶的等轴晶粒尺寸较为细小，其平均晶粒尺寸在10～15 μm范围内，未发生动态再结晶的晶粒的平均尺寸在75～110 μm范围内，二者差异较大。不同温度下再结晶晶粒的尺寸与变形程度的关系如图6所示。再结晶晶粒的尺寸随变形程度的减小，变化较小。以1120℃为例，(a)点的再结晶晶粒尺寸约8.3 μm，(g)点再结晶晶粒尺寸为13.8 μm。再结晶体积分数与变形量的关系如图7所示。从图可以看出，在试验温度范围内，随变形程度减小，动态再结晶的体积分数明显减小;当变形程度小于30%时，几乎不再发生动态再结晶。从图6、7可以看出，1120℃温度下变形得到的再结晶晶粒尺寸较均匀，再结晶体积分数最高。因此，可以认为GH738合金在1120℃容易发生动态再结晶过程，在这温度下有足够的 变形程度可以得到比较均匀的再结晶晶粒。

图5 1120℃下试样纵截面不同变形程度下的组织Fig.5 Microstructures of sample longitudinal section under different deformation extent at 1120℃

2.3 GH738合金平均晶粒尺寸与变形条件的关系

根据锥形试样压缩试验结果，可得GH738合金的平均晶粒尺寸和变形条件的关系 (如图8)。从图可以看出，该合金要获得均匀细小的晶粒组织，其热加工的温度范围为1100～1140℃;最小变形程度为28%。

3 结论

(1)随着温度的升高，GH738合金再结晶晶粒尺寸逐渐增大;在1120℃下变形，再结晶过程进行最为充分。

图8 平均晶粒尺寸与变形条件的关系Fig.8 Average grain size versus deformation condition

(2)随变形程度的减小，再结晶体积分数明显减小，当变形程度小于30%时几乎不再发生动态再结晶过程。在1120℃温度变形再结晶体积分数最高，再结晶晶粒尺寸较均匀。

(3)对于GH738合金，在1100～1140℃范围内，变形程度大于28%的条件下，可获得晶粒大小较均匀的组织。

［1］ 《中国航空材料手册》编辑委员会．中国航空材料手册 (第2版) ［M］．北京:中国标准出版社，2002:475－482．

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