退火温度对Mo-47.5%Re合金丝组织和性能的影响

李诵斌,陈飞鹏,谌日葵,习瑶瑶,冯永山,吴俊杰,李阁平

(1.江西铜业技术研究院有限公司,江西 南昌 330096)(2.中国科学院金属研究所,辽宁 沈阳 110055)

0 引 言

金属钼(Mo)是一种体心立方金属,在高温下容易氧化,室温下容易脆断,同时加工性能较差,这在一定程度上限制了其性能表现和应用范围;然而,通过添加稀有金属铼,可以显著改善钼的性能。金属铼被认为是改善钼金属性能效果最好的元素,利用“铼效应”,可以降低钼铼合金的塑-脆转变温度,提高再结晶温度,提升钼合金的强度,并有效改善其加工性能。此外,添加铼还能抑制碳和氧元素的脆化作用,提高钼铼合金的焊接性能[1-3]。尤其是当铼的含量超过40%(质量分数,下同)时,钼铼合金展现出出色的高温抗热震性、高低温塑性和高温力学性能。因此,钼铼合金在核工业、电子工业、航空航天等高技术领域中得到广泛推荐和应用[4-7]。

钼铼合金凭借其得到改善的加工性能,适用于生产丝材、板材、管材和棒材等多种合金制品。然而,由于其在制备过程中容易氧化,导致加工过程十分复杂。为了克服这个问题,通常采用粉末冶金或熔炼法制备钼铼合金。刘沙等[8]研究了 Mo-3%Re合金的垂熔和干氢高温烧结过程,并对比分析了两种制备方法对拉丝工艺的影响,结果显示:经干氢烧结的Mo-3%Re合金展现出了更细小的晶粒组织及更高的抗拉强度、延伸率和显微硬度,表现出更优越的可加工性能。张军良等[9]采用电子束悬浮熔炼钼铼合金,发现制备的合金铸锭晶粒粗大,使得热加工性能变差,在锻造过程中出现开裂现象。因此工业上大多采用粉末冶金方法制备钼铼合金制品[10-13]。

钼铼合金丝通常是由粉末冶金制备的钼铼合金棒材加工而成的。这种制备方法包括旋锻、拉丝等热塑性变形工艺。这些加工工艺能够根据需求调整形状和尺寸,使钼铼合金丝适应各种应用。钼铼合金在加工过程中往往存在严重的加工硬化现象,这主要是由于晶粒细化、位错密度增加及晶界强化等因素共同作用。Mannheim等[14]研究发现:随着铼含量的增加,钼铼合金的加工硬化现象变得更加严重。这给钼铼合金的进一步深加工带来了严峻挑战,可能导致产品成材率低和产品质量不可控等问题。因此,在钼铼合金经过一定的加工变形后,采用适当的热加工工艺(如退火和热处理)至关重要。这些工艺有助于恢复材料的塑性,减轻加工硬化效应[15]。国内外对钼铼合金丝的研究报道相对较少,尤其是退火温度对钼铼合金丝的组织结构和性能方面的研究少之又少。本文旨在研究退火温度对钼铼合金丝的组织结构和拉伸性能的影响,以期为改进钼铼合金丝的生产工艺、提高丝材性能和控制产品成材率提供科学的依据。通过深入理解退火温度对钼铼合金丝的影响,可以制定合理的退火方案,优化丝材的微观结构和力学性能。这将有助于推动钼铼合金丝的应用和发展,并满足不同领域对高品质钼铼合金丝的需求。

1 试验过程

采用粉末冶金法制备Mo-47.5%Re合金丝。首先将99.95%纯度的钼粉与99.99%纯度的铼粉按比例称取后进行球磨混粉,再依次经过冷等静压成形、高温烧结、旋锻、拉拔等工艺流程制得直径φ1 mm丝材。对上述工艺制备的拉拔态钼铼合金丝进行退火处理,保温时间为1 h,退火气氛为氢气气氛,退火温度分别为1 100、1 300 ℃和1 500 ℃,并对不同温度下退火处理的丝材进行组织结构观察和性能测试。

采用布鲁克D8 Advance型XRD测试丝材的物相结构;对丝材进行离子束抛光处理后,进行EBSD测试;采用FEI Strata 400S聚焦离子束扫描电镜切取丝材的透射电镜样品,在FEI Tecnai F20透射电镜上进行显微组织观察;采用万能试验机在室温下测试丝材的应力应变曲线。

2 试验结果及讨论

2.1 物相分析

针对拉拔态和退火态的Mo-47.5%Re合金丝进行了物相结构表征,图1(a)、(b)展示了在30°～90°范围内的XRD图谱,分别对应丝材的横截面和纵截面。从图谱中可以观察到Mo-47.5%Re合金丝在测试范围内主要呈现四个衍射晶面,分别为(110)、(220)、(211)和(220)。

图1 Mo-47.5%Re合金丝的截面XRD图谱

通过对比丝材的横截面和纵截面的衍射峰强度,我们发现从样品的纵截面测量到的晶面取向呈现随机分布,没有明显的织构;从横截面测量到的晶面则表现出较为强烈的<110>织构。这表明钼铼合金丝经过拉拔工艺形成了横截面上(110)晶面平行于拉拔方向的丝织构。此外,退火温度的升高未对<110>织构产生显著影响。

2.2 晶粒组织分析

采用EBSD技术表征Mo-47.5%Re合金丝在退火前后的组织结构,以获取其晶粒尺寸和取向,并研究退火温度对丝材组织的影响。图2、3展示了Mo-47.5%Re合金丝在不同状态下的横截面和纵截面的反极图。由图2可知:随着退火温度的增加,单位横截面内的晶粒数量逐渐减少,这表明随着退火温度的升高,丝材的晶粒尺寸逐渐增大。未经退火处理的丝材晶粒尺寸约为0.3～0.5 μm,经过1 500 ℃退火处理1 h后,晶粒尺寸增大至5～7 μm。此外,从反极图可以观察到绿色是主要颜色,这意味着Mo-47.5%Re合金丝材在拉拔方向上呈现<110>丝织构,这与XRD结果一致。从图3可以看出:未退火的Mo-47.5%Re合金丝的组织呈现细长的纤维结构。这主要是由于丝材经历了大变形量的拉拔挤压过程,导致内部积累了大量加工硬化产生的内应力;经过退火处理后,纤维晶粒组织逐渐碎化,随着退火温度的增加,细长的纤维结构开始转变为短粗的短纤维结构,最终纤维结构消失,取而代之的是沿拉拔方向伸长的再结晶组织。在退火温度为1 100 ℃时,观察到丝材的组织中仍存在较多的变形晶粒,并且周围布满大量细小的再结晶晶粒。这表明再结晶尚未完全发生。然而,当退火温度达到1 300 ℃时,变形晶粒已经完全被等轴晶粒所取代,随着退火温度升高到1 500 ℃,晶粒尺寸明显进一步增大。此外,随着退火温度的升高,丝材的纤维织构没有发生变化,但织构强度却逐渐增强。

图2 Mo-47.5%Re合金丝横截面的反极图

图3 Mo-47.5%Re合金丝纵截面的反极图

这可以根据定向形核理论来解释:含有较大变形织构的金属组织在再结晶的形核过程中,晶粒会优先朝着与原始织构相一致的取向生长,从而形成具有一致纹理的再结晶组织。而具有较强织构强度的晶粒会优先生长,并吞噬那些织构强度较弱的晶粒,这就是增加退火温度会增强丝材织构强度的原因[16]。这些观察结果与退火温度对晶界能量和晶粒长大的影响一致,随着退火温度的升高,晶界能量减小,晶界迁移速率增加,从而促使晶粒的长大和再结晶的进行。

2.3 TEM显微组织分析

为了进一步分析Mo-47.5%Re合金丝的微观组织,使用TEM对拉拔态和1 300 ℃退火态的丝材在拉拔方向上的组织进行观察,结果见图4。从图4可以看出:未经退火处理的丝材晶粒形成了形变带组织,并在形变带中存在大量拉长的位错胞组织,这表明丝材经历了显著的加工硬化。然而,当丝材经过1 300 ℃退火处理1 h后,晶粒组织出现了平直的大角度晶界,这表明丝材发生了再结晶。退火处理有利于硬态丝材内部的空位扩散和位错发生滑移和攀移。形变带中一些相邻亚晶粒之间的公共边界上的位错通过滑移和攀移过程重新组合和分布,从而使亚晶更加完整,最终形成无畸变的组织结构[11, 17]。结合EBSD分析结果可知:Mo-47.5%Re合金丝的完全再结晶温度大致在1 300 ℃附近。

图4 Mo-47.5%Re合金丝的TEM显微组织

2.4 力学性能分析

拉拔态与不同温度退火态的Mo-47.5%Re合金丝的应力应变曲线见图5。从图5可以看出:未经退火处理的拉拔态丝材具有最高的抗拉强度,达到2 026 MPa,但断后伸长率仅为1.5%。这是因为拉拔态的丝材已经在拉伸方向形成了<110>织构,这种织构对延伸率有不利影响。退火温度对Mo-47.5%Re合金丝的力学性能产生明显影响。退火态丝材的抗拉强度有所降低,但断后伸长率明显增加。这是因为退火态的丝材经历了回复与再结晶的过程,从纤维状组织向等轴状组织转变,纤维状组织的比例逐渐减少,等轴状组织的比例逐渐增加。这会导致变形储能逐渐释放,从而降低合金的抗拉强度,但提高其塑性[18]。随着退火温度的升高,抗拉强度和断后伸长率都逐渐下降。在1 100 ℃下退火后,在室温下测得抗拉强度为1 125 MPa,断后伸长率为23.9%;而在1 500 ℃下退火后,在室温下测得抗拉强度为1 055 MPa,断后伸长率为21.5%。这是因为随着退火温度的升高,丝材的晶粒逐渐长大,并形成了更粗大的等轴晶。这种晶粒长大会导致晶界的移动和位错滑移受到限制,从而降低材料的拉伸性能。综上所述,退火温度对Mo-47.5%Re合金丝的力学性能有明显影响。通过退火处理,可将丝材从原有的拉拔态转变为具有较高延展性的等轴晶态。然而,过高的退火温度会导致晶粒粗大,降低丝材的力学性能。因此,在实际加工和应用过程中需要在延展性和强度之间做出权衡,选择适当的退火温度进行处理。

图5 不同状态下Mo-47.5%Re合金丝的应力应变曲线

3 结 论

通过对拉拔态的φ1 mm Mo-47.5%Re合金丝进行1 100～1 500 ℃退火处理,并分析退火温度对丝材组织结构和性能的影响,得出以下结论:

(1)不同温度下的退火处理没有对丝材的<110>织构产生显著影响,表明退火处理对晶体取向没有明显的改变。

(2)随着退火温度的升高,拉拔态丝材中细长的丝状晶逐渐转变为短粗的短纤维结构,最终形成等轴状的再结晶组织。加工过程中形成的变形带组织也会随着位错的滑移和攀移逐渐消失,形成没有畸变的组织结构。丝材的再结晶发生温度大约在1 300 ℃左右。

(3)退火处理显著提升了丝材的塑性,可改善丝材的可加工性能。随着退火温度的升高,丝材的抗拉强度和断后伸长率逐渐下降。在1 100 ℃下进行退火处理得到的丝材表现出最佳的抗拉强度和断后伸长率,抗拉强度为1 125 MPa,断后伸长率为23.9%。结果表明:在适当的退火温度下,Mo-47.5%Re合金丝的晶体结构能够得到良好的再结晶,丝材的塑性得到明显改善。