金属学报(中文版)  2019 , 55 (2): 213-222 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2018.00179

Orginal Article

GH4720Li合金热变形过程动态软化机制

万志鹏12, 王涛1, 孙宇2, 胡连喜2, 李钊1, 李佩桓1, 张勇1

1 中国航发北京航空材料研究院先进高温结构材料重点实验室 北京 100095
2 哈尔滨工业大学金属精密热加工国家级重点实验室 哈尔滨 150001

Dynamic Softening Mechanisms of GH4720Li AlloyDuring Hot Deformation

WAN Zhipeng12, WANG Tao1, SUN Yu2, HU Lianxi2, LI Zhao1, LI Peihuan1, ZHANG Yong1

1 Science and Technology on Advanced High Temperature Structural Materials Laboratory, AEEC Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China
2 National Key Laboratory for Precision Hot Processing of Metals, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China

中图分类号:  TG146.1

文章编号:  0412-1961(2019)02-0213-10

通讯作者:  通讯作者 万志鹏,waynedapeng@163.com,主要从事变形高温合金及金属间化合物材料研制与应用研究

收稿日期: 2018-05-4

网络出版日期:  2019-01-31

版权声明:  2019 《金属学报》编辑部 《金属学报》编辑部

作者简介:

作者简介 万志鹏,男,1991年生,博士生

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摘要

以锻态GH4720Li镍基沉淀强化型高温合金为研究对象,对合金进行了不同工艺参数下的热压缩实验。采用OM、SEM、EBSD和TEM研究了热压缩过程中再结晶晶粒的形成和晶粒内亚结构的演变规律,分析了合金在不同热变形工艺参数下的动态软化机制。研究表明,合金在所有热变形工艺参数下均发生了非连续动态再结晶行为。变形组织分析表明,高温低应变速率能够抑制非连续动态再结晶行为的发生,而提高应变速率能促进非连续动态再结晶行为,且能够获得等轴状尺寸均匀的晶粒组织。未完全溶解细小γ'强化相的钉扎作用能够使变形晶粒内形成高密度位错亚结构和亚晶界,亚晶界角度通过连续的吸收位错而不断地升高,进而以“强化相诱发连续动态再结晶”方式形成细小的再结晶晶粒组织。不同热变形工艺下孪晶界的演变规律分析表明,热变形温度与应变速率通过影响合金的动态再结晶行为来改变孪晶界的数量。

关键词: GH4720Li合金 ; 热压缩实验 ; 动态软化机制 ; 强化相诱发连续动态再结晶 ; 孪晶界

Abstract

GH4720Li alloy is a precipitation strengthened Ni-based superalloy and widely applied in high performance applications such as disks and blades of either aircraft engines or land-based gas turbines attributing to its excellent properties including resistance to creep and fatigue, together with corrosion, fracture and microstructural stability for the intended applications. Hot working is an effective way for shaping metals and alloys as well as changing the microstructure and mechanical properties. Lots of typical metallurgical behaviors such as dynamic recovery (DRV), discontinuous dynamic recrystallization (DDRX) and continuous dynamic recrystallization (CDRX) occur, which are related to the hot working parameters, including deformation temperature, strain rate and strain. In order to investigate the effect of deformation parameters on dynamic softening behavior and evolution of twinning for GH4720Li alloy, the hot deformation behavior of as-forged GH4720Li alloy was studied by isothermal compression tests. OM, SEM, EBSD and TEM techniques were employed to investigate systematically the dynamic softening mechanisms, formation of DRX grains and evolution of substructure in grains under different deformation parameters. The results showed that DDRX can take place at all studied deformation conditions. The boundary bulging and nucleation of DDRX grains were restrained as a result of decrease of dislocation substructures and subgrain boundaries density consumed by continuous original boundary migration (COBM) in deformed grains at low strain rates and high temperatures, and then the occurrence of DDRX was suppressed. DDRX was promoted as the strain rate was increased and uniform microstructures composed of fine equiaxed grains can be readily obtained as well. The microstructural changes showed that the pinning effect of fine undissolved γ' precipitates was able to hinder the dislocation movement and promote the formation of high density of dislocation substructures and subgrain boundaries in deformed grains. The increase in sub-boundary misorientation brought about by continuous accumulation of the dislocations was introduced by the deformation, and fine DRX grains formed by particle-induced continuous dynamic recrystallization (PI-CDRX). According to the evolution of twinning under various deformation conditions, the effect of deformation temperature and strain rate on the evolution of twinning was characterized by the occurrence of DRX behavior.

Keywords: GH4720Li alloy ; hot compression test ; dynamic softening mechanism ; particle-induced CDRX ; twinning boundary

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万志鹏, 王涛, 孙宇, 胡连喜, 李钊, 李佩桓, 张勇. GH4720Li合金热变形过程动态软化机制[J]. 金属学报(中文版), 2019, 55(2): 213-222 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2018.00179

WAN Zhipeng, WANG Tao, SUN Yu, HU Lianxi, LI Zhao, LI Peihuan, ZHANG Yong. Dynamic Softening Mechanisms of GH4720Li AlloyDuring Hot Deformation[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2019, 55(2): 213-222 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2018.00179

GH4720Li合金作为一种沉淀强化型镍基高温合金,主要用于制备航空发动机涡轮盘、叶片等关键转动部件[1,2]。合金中添加了大量的固溶强化元素(如:Mo、W等)和γ'强化相形成元素(Al、Ti),从而满足了近些年来航空发动机关键热端部件对材料耐高温与高强度的要求。该合金通常采用热加工方式制备不同形状的锻件,其在热加工过程中常常伴随着动态回复、动态再结晶等微观组织的转变过程[3,4]。大量研究[5,6]表明,对于具有低层错能的金属材料(如:Ni、Cu、奥氏体钢及其合金),其主要动态软化机制为非连续动态再结晶,即再结晶晶粒以原始晶界弓弯的方式形核并通过晶界迁移过程逐渐长大,该过程能够有效消除变形晶粒内的位错亚结构。而对于第二相颗粒强化型材料,合金中强化相能够通过钉扎作用阻碍晶界的弓弯与晶界的迁移,从而抑制非连续动态再结晶(DDRX)行为的发生[7,8,9]

本工作中,GH4720Li中强化相γ' (Ni3(Al, Ti)为Cu3Au型L12 fcc有序结构)的含量超过40% (质量分数),且γ'相含量随着温度的升高逐渐降低,因此不同热变形温度下强化相具有不同的分布规律,强化相对材料热变形过程中动态软化行为的影响也不尽相同。科研人员在强化相对合金组织演变与再结晶晶粒形核机制方面进行了研究,Li等[10]研究了镍基高温合金FGH4096热压缩过程中γ'相对动态再结晶行为的影响,通过对比2种具有不同初始γ'相尺寸的合金热变形组织,发现具有小尺寸γ'相的合金中动态再结晶体积分数显著低于具有大尺寸γ'相的合金,且较大尺寸的γ'相能够以通过阻碍位错滑移的方式促进动态再结晶行为的发生。Liu等[4]研究了不同初始组织状态下Udimet 720Li合金动态软化过程中的微观组织演变特征,认为γ'相对合金的动态软化机制具有重要影响。Yu等[11]讨论了固溶温度对铸锭均匀化态Udimet 720Li合金动态再结晶行为的影响,认为在亚固溶温度下进行塑性变形时,合金主要以非连续动态再结晶方式形核。

综上,虽然国内外学者在镍基高温合金热变形过程动态再结晶形核机制方面开展了一定的研究工作,但在γ'相对再结晶晶粒形核机制和变形晶粒亚结构演变的影响方面仍缺乏深入的研究。本文研究了锻态GH4720Li合金在双相区热压缩变形过程中的组织演变规律,分析了热变形工艺参数对合金组织演变的影响,结合材料热变形过程流变力学特征与晶粒内亚结构演变的分析,确定了合金在不同热变形工艺参数下的动态软化机制。

1 实验方法

实验采用锻造态镍基变形高温合金GH4720Li,合金的主要化学成分(质量分数,%)为:Cr 16.0,Co 14.5,W 1.3,Mo 3.0,Al 2.5,Ti 5.0,Ni余量。采用Gleeble-3800热/力模拟试验机对材料热变形过程进行研究,试样尺寸为直径10 mm、高15 mm,变形温度为1060~1120 ℃,应变速率为0.001~10 s-1,最大应变量为0.8,利用自身电阻加热方式以10 ℃/s的加热速率升高到变形温度,变形前保温5 min以使试样各部位温度均匀分布,变形结束后立即水淬以冻结变形组织。试样沿压缩方向最大轴面切开,按照标准金相试样制备技术进行研磨和机械抛光处理,随后采用DM6000M金相显微镜(OM)、SUPRA55扫描电子显微镜(SEM)及其配备的电子背散射(EBSD)装置和TECNAI G2 20透射电子显微镜(TEM)观察对合金热变形区域的显微组织进行表征。其中,OM试样采用100 mL HCl+100 mL CH3OH+50 g CuCl2溶液进行化学腐蚀。SEM与EBSD试样分别采用150 mL H3PO4+10 mL H2SO4+15 g CrO3和20%H2SO4+80%CH3OH溶液制备。SEM试样电解腐蚀工艺为电压5 V,电流2~3 A,时间10~30 s;EBSD试样电解抛光工艺参数为电压25 V, 电流3~5 A, 时间15~35 s,依据试样不同热变形参数下的微观组织状态设置EBSD采集数据参数(如面积和步长),随后运用TSL OIM Anaysis 6.0软件对所采集数据进行处理与分析。TEM薄片试样经机械减薄至约50 μm,随后对经机械磨削试样进行离子减薄。

2 实验结果及讨论

2.1 GH4720Li合金初始锻态组织

图1为GH4720Li合金初始锻造态微观组织。由图1a可以看出,锻造态合金主要由γ奥氏体基体和晶界上弥散分布的大量初生γ'强化相构成,晶粒呈等轴状,晶内存在较晶界处细小的二次与三次γ'强化相(图1b)。

图1   GH4720Li合金初始锻造态微观组织

Fig.1   OM (a) and SEM (b) images of initial microstructures of as-forged GH4720Li alloy

2.2 GH4720Li合金动态软化行为

图2所示为GH4720Li合金热变形过程中不同应变速率下动态软化应力(σp-σ0.8,σp为峰值应力,σ0.8为应变量为0.8下的真应力)与温度之间的关系曲线。图中可以看出,合金在所有热变形工艺参数下均呈现出明显的动态软化特征[12,13],且动态软化应力随温度的升高与应变速率的降低而降低。通常材料热变形过程中的真应力可以看成是对组织演变的动态响应,由图2可见,合金在所有热变形参数下的动态软化应力均为正值,表明GH4720Li合金的主要动态软化机制为动态再结晶(DRX)[12]。合金通过再结晶晶粒的形核与晶界迁移过程来降低变形晶粒的位错密度、改变晶粒组织结构和降低材料变形抗力[14,15]

图2   GH4720Li合金不同应变速率下软化应力与变形温度之间的关系曲线

Fig.2   Curves of softening stress-temperature of the GH4720Li alloy under various strain rates

图3为应变速率10 s-1、应变量0.8下GH4720Li合金的SEM像。图中可以看出,当变形温度较低时,原始晶粒内细小的二次与三次γ'相未完全溶解,且弥散分布在基体中。由合金的平衡相图[16]可知,随着变形温度的升高,γ'相的相平衡含量逐渐降低,晶界处初生γ'相的尺寸也逐渐降低,当变形温度升高至1100 ℃时,原始晶粒内细小的γ'强化相完全溶解。研究表明,合金中的强化相一方面通过对晶界的钉扎作用,抑制原始晶界的弓弯与再结晶晶粒的晶界迁移过程,从而阻碍非连续动态再结晶过程的发生[17];另一方面,晶内的第二相粒子能够有效地阻碍位错运动,使得晶内形成高密度的位错亚结构和亚晶界,再结晶晶粒以近似连续动态再结晶的方式生成[10]图4为应变速率1 s-1、应变量0.8下GH4720Li合金的OM像。图4a中可以看出,在1060 ℃变形时,再结晶晶粒较为细小,且原始晶粒沿垂直于压缩轴线方向被拉长。随着热变形温度的升高,合金的平均晶粒尺寸逐渐增大,如图4b~d所示。

图3   应变速率为10 s-1、应变量为0.8下GH4720Li合金的SEM像

Fig.3   SEM images of the GH4720Li alloy deformed at 10 s-1 and a strain of 0.8 with temperatures of 1060 ℃ (a), 1080 ℃ (b), 1100 ℃ (c) and 1120 ℃ (d)

图4   应变速率为1 s-1、应变量为0.8下GH4720Li合金的OM像

Fig.4   OM images of the GH4720Li alloy deformed at 1 s-1 and a strain of 0.8 with temperatures of 1060 ℃ (a), 1080 ℃ (b), 1100 ℃ (c) and 1120 ℃ (d)

图5为在变形温度1100 ℃、应变量0.8时不同应变速率下GH4720Li合金的OM像。结果表明,随着应变速率的升高,合金的平均晶粒尺寸逐渐降低,当应变速率大于0.1 s-1时,热变形后的组织由均匀的等轴晶粒构成,而在较低的应变速率下,合金的晶粒尺寸分布范围较大,且存在异常粗大的晶粒组织。材料在热变形过程中通常伴随着加工硬化、动态回复和动态再结晶过程,在低应变速率下,合金的动态回复作用增强,使得部分变形晶粒的位错密度低于动态再结晶形核所需的临界位错密度,再结晶晶粒的形核率降低[18],且在该变形温度下,初生γ'相的尺寸显著降低,γ'相对晶界的钉扎作用减弱[19,20]。因此,热变形后组织由大尺寸与小尺寸混合晶粒构成(图5a和b)。

图5   变形温度为1100 ℃、应变量为0.8下GH4720Li合金的OM像

Fig.5   OM images of the GH4720Li alloy deformed at 1100 ℃ and a strain of 0.8 with strain rates of 0.001 s-1 (a), 0.01 s-1 (b), 0.1 s-1 (c) and 10 s-1 (d)

2.3 热变形过程动态软化机制

对于具有低层错能的镍基高温合金,热变形过程中动态回复速率较慢,晶界处某些高位错密度区首先形成锯齿状晶界,随着位错密度的不断升高,再结晶晶粒以晶界弓弯的方式形核,再结晶晶粒通过晶界迁移过程,降低变形晶粒内的位错亚结构,实现材料的动态软化过程,该过程通常被称为非连续动态再结晶[21]。有研究[5,10]表明,对于具有强化相的合金,若强化相的钉扎力大于晶界弓弯驱动力,则热变形过程中的DDRX行为就会受到抑制。图6为GH4720Li合金在不同热变形工艺参数下的TEM像。可见,在1060 ℃、应变速率为0.1 s-1和1080 ℃、应变速率为0.001 s-1下进行塑性变形时,晶内的细小γ'相能够有效阻碍位错的移动,在晶内形成高密度的位错亚结构和亚晶界。

图6   不同热变形参数条件下GH4720Li合金的TEM像

Fig.6   TEM images of the GH4720Li alloy deformed at 1060 ℃ and a strain of 0.35 with strain rate of 0.1 s-1 (a) and 1080 ℃ and a strain of 0.8 with strain rate of 0.001 s-1 (b)

图7为热变形温度为1060 ℃、应变速率为1 s-1下GH4720Li合金的EBSD图。如图所示,随应变量的增加,热变形组织中小角度晶界数量明显降低,再结晶晶粒体积分数升高。图8为取向角沿图7a中直线段分布图。图中可以看出,当变形量为0.35时,变形晶粒内累积取向角最大约为13°,且可观察到晶内形成了一定数量的亚晶界。随着变形量的增加,小角度亚晶界通过不断地吸收位错而转化为大角度晶界,最终形成了细小的再结晶晶粒组织,如图7b所示。该过程与传统的连续动态再结晶(CDRX)并不完全一致,通常对于具有高层错能的金属(如:Al、Mg和铁素体及其合金)热变形过程中的主要动态软化机制为动态回复[22],该类合金位错的重排与湮灭等DRV过程更容易发生,其晶粒的细化或新晶粒的形成过程多采用大塑性变形,如:多向锻造(MDF)、等径角挤压(ECAP)、高压扭转(HPT)和累积叠轧(ARB)的方法[5,23],动态再结晶晶粒通过热变形时位错的不断累积而导致变形晶粒内连续的亚晶旋转过程生成,由于变形晶粒中存在大量的亚晶界,从而使得晶内的累积取向角显著升高[24,25]。而本工作中GH4720Li合金热变形过程中的位错亚结构和亚晶界是由γ'相对位错的钉扎作用而形成,因此,在低温下发生的再结晶行为可称为强化相诱发连续动态再结晶(PI-CDRX,particle-induced CDRX)。如图7所示,当晶界附近的位错密度高于再结晶晶粒形核所需临界位错密度时,再结晶晶粒也可以DDRX方式形核,因此,在1060和1080 ℃变形时,合金热变形过程中的主要软化机制为PI-CDRX和DDRX。

图7   热变形温度为1060 ℃、应变速率为1 s-1下GH4720Li合金的EBSD图

Fig.7   EBSD images of the GH4720Li alloy deformed at 1060 ℃, 1 s-1 and strains of 0.35 (a) and 0.8 (b) (>15°, 5°~15° and 2°~5° boundaries are indicated by thick-black, thin-green and thin-orange lines, respectively. Σ3, Σ9 and Σ27 twins are displayed by thick red, thick blue and thick yellow lines, respectively. DDRX—discontinuous dynamic recrystallization)

图8   取向角沿图7a中直线段分布图

Fig.8   Misorientations measured along the lines A1 (a) and A2 (b) marked in Fig.7a

随着变形温度的升高,GH4720Li合金中γ'相的体积分数逐渐降低[16],由图9可以看出,当变形温度升高至1100 ℃时,初始锻态组织中晶内细小γ'相已经完全溶解,初生γ'相对晶界的钉扎作用极大降低,相较于初始锻态组织发生了明显的晶粒长大现象。在应变速率较低的条件下,连续的原始晶界迁移(continuous original boundary migration,COBM)过程不仅使得材料部分区域发生异常的晶粒长大,同时也降低材料晶内的位错亚结构和亚晶界的密度,当位错密度低于再结晶晶粒形核所需临界位错密度,合金热变形过程DDRX行为受到了抑制作用,而部分高位错密度区域再结晶晶粒仍可以DDRX方式形核,如图9a所示。目前,国内外学者对合金热变形组织中某个晶粒是否为再结晶晶粒通常采用晶粒取向分布角(grain orientation spread,GOS)来进行判断[26,27,28],GOS是指在一个晶粒内所有点的取向与晶粒平均取向之间取向角度差的平均值,并将该晶粒的所有区域以相同的颜色进行标注。本工作通过对比不同热变形工艺参数下的组织,确定本合金GOS临界阈值为1.3°。如图9所示,随着应变速率的升高,晶粒取向分布角大于1.3°的区域逐渐减小,异常长大的晶粒被细小的再结晶晶粒组织取代,表明升高应变速率可通过提高再结晶晶粒的形核率和抑制原始晶界迁移的方式促进动态再结晶行为的发生。

图9   热变形温度为1100 ℃、应变为0.8下GH4720Li合金的EBSD图

Fig.9   EBSD images of the GH4720Li alloy deformed at 1100 ℃ and a strain of 0.8 with strain rates of 0.001 s-1 (a), 0.1 s-1 (b), 1 s-1 (c) and 10 s-1 (d) (>15°, 5°~15° and 2°~5° boundaries are indicated by thick-black, thin-green and thin-orange lines, respectively. Σ3, Σ9 and Σ27 twins are displayed by thick red, thick blue and thick yellow lines, respectively. GOS—grain orientation spread, HGBs—high angle grain boundaries)

合金在应变速率为0.1 s-1、应变为0.8、不同温度下的热变形组织如图10所示。由图可以得到,热变形温度通过改变合金中γ'相的体积分数和分布来影响其动态软化行为。在低温条件下,由于晶内γ'相的钉扎作用而形成了高密度的位错亚结构和亚晶界,且由于应变速率较低,该亚结构并未转换为大角度晶界,仅有部分区域生成了DDRX晶粒,发生再结晶区域较小(图10a和b)。随着温度升高,合金晶内的γ'相完全溶解,大量再结晶晶粒通过DDRX方式形核并长大,发生动态再结晶的区域不断扩大(图9b和10c)。

图10   应变速率为0.1 s-1、应变为0.8下GH4720Li合金的EBSD图

Fig.10   EBSD images of the GH4720Li alloy deformed at strain rate of 0.1 s-1 and a strain of 0.8 at temperatures of 1060 ℃ (a), 1080 ℃ (b) and 1120 ℃ (c) (>15°, 5°~15° and 2°~5° boundaries are indicated by thick-black, thin-green and thin-orange lines, respectively. Σ3, Σ9 and Σ27 twins are displayed by thick red, thick blue and thick yellow lines, respectively. α—the angle between ’grain boundary’ and ’tangent to the γ’ phase’)

综上分析,图11总结不同热变形工艺参数下GH4720Li合金的动态软化机制。在低温下变形时,晶内细小γ'强化相未完全溶解,其钉扎效应能够阻碍位错移动,从而在晶内γ'强化相周围形成高密度位错亚结构和亚晶界,且由于晶界处初生γ'强化相的钉扎作用使得该高位错密度区域很难通过新生成再结晶晶粒的晶界迁移过程消耗。随变形量的增加,晶内小角度晶界通过不断吸收位错的方式转化为大角度晶界,因此,在较低温度下变形时,合金的主要动态软化机制为DDRX和PI-CDRX。随着温度的增加,合金中γ'的相平衡浓度逐渐降低,此时,晶内细小γ'强化相完全溶解,晶界处初生γ'相尺寸逐渐降低,其对晶界的钉扎作用减弱。因此,在高温低应变速率下晶内的位错亚结构和亚晶界可通过连续原始晶界迁移的方式消耗,使得该区域位错密度低于非连续动态再结晶晶粒形核所需的临界位错密度,而部分高位错密度区域仍可发生再结晶晶粒的形核与长大过程,因此,在高温低应变速率下,合金的主要动态软化机制为DDRX和COBM。随着应变速率增加,再结晶晶粒的形核率显著增加,且原始晶界迁移过程受到抑制作用,因此,该热变形参数下合金的主要动态软化机制为DDRX。

图11   不同热变形工艺参数下合金软化机制变化示意图

Fig.11   Schematics of softening mechanisms evolution under different deformation conditions (PI-CDRX—particle-induced continuous dynamic recrystallization, COBM—continuous original boundary migration, ε—strain)

2.4 热变形过程孪晶演变规律

研究[29]表明,具有低层错能的镍基高温合金在动态再结晶过程中倾向于诱发孪晶的产生,再结晶晶粒能够通过形成孪晶来降低其晶界能,因此,再结晶晶粒中通过形成具有孪晶取向的晶界来促进动态再结晶过程的发生。由图6和7可见,变形晶粒中存在高密度的位错亚结构和亚晶界,没有孪晶界生成,大多数小尺寸再结晶晶粒中不存在孪晶界,而大多数大尺寸晶粒中有孪晶界产生(图9和10),表明孪晶界在再结晶晶粒的长大过程中形成[30]。此外,图9和10中还可看出再结晶晶粒中孪晶界具有与退火孪晶界相似的晶界类型,且其中不存在变形亚结构。

本工作分析了GH4720Li合金热变形过程中具有60°<111>取向的初生Σ3孪晶界(如图9和10中红线所示)、以及具有28.9°<101>结构、31.6°<110>结构、35.4°<210>结构的高阶次Σ9、Σ27a和Σ27b孪晶界(Σ9:图9和10中蓝线,Σ27a和Σ27b:图9和10中黄线)。由“重合位置点阵”规则,2个Σ3孪晶界相互作用可以生成1个Σ9孪晶界(Σ3+Σ3=Σ9),当Σ9孪晶界与Σ3孪晶界相遇时可生成1个新的Σ3孪晶界(Σ3+Σ9=Σ3)或1个Σ27孪晶界(Σ3+Σ9=Σ27)[30]。孪晶大多在晶粒内形成,这是因为,相邻晶粒之间的界面能与2个晶粒的取向差相关,因此晶粒在生长过程中,如果2个相邻晶粒的取向差发生改变,其界面能也会相应地发生改变,若在生长晶粒的三岔晶界处形成一条孪晶界所降低的自由能大于2个相邻晶粒取向差改变所降低的自由能时,那么孪晶界就可能会在三岔晶界处形成。此外,依据“重合位置点阵”规则,当相邻的孪晶相遇时就能在三岔晶界处形成更高阶次的孪晶界,Σ3、Σ9和Σ27孪晶界的演变规律如图9和10所示。可以明显地看出,孪晶界在热变形过程中会发生明显的转变过程,不同类型的孪晶界依据“重合位置点阵”规则发生相互转换,而部分在基体中预先存在的孪晶界在热变形过程中失去其原有的取向特征,转换为普通的大角如图9和10所示,大量的孪晶界由“堆垛缺陷”或“生长意外”机理在三岔晶界或晶界处形成[31,32],这是因为在迁移三岔晶界处形成孪晶能够使体系的界面能降低。此外,研究[30]表明,共格孪晶平面的正常生长方向通常与晶粒的生长方向相近,再结晶晶粒的生长方向可以通过迁移晶界的曲率推断得出,共格孪晶界与再结晶晶粒生长方向之间的关系如图9d和10b中所示,孪晶平面生长方向与晶粒的生长方向相近也是在某些再结晶晶粒中形成平行孪晶界的主要原因。

GH4720Li合金中变形温度与应变速率对孪晶界形成的影响如图12所示。由图12可以明显看出,当变形温度为1100 ℃时,升高应变速率能够促进孪晶界的形成,这是因为在该温度下进行变形时,升高应变速率能够促进晶粒形核,而高温与低应变速率下晶界迁移与动态回复(DRV)过程极大地降低了位错亚结构和亚晶界的密度,使得DDRX过程受到了抑制,因此,在1100 ℃下提高应变速率能够促进DDRX的发生,从而有利于孪晶界的形成。与应变速率对孪晶界形成影响类似,变形温度也是通过影响合金动态再结晶行为来改变孪晶界的数量。

图12   应变速率与温度对GH4720Li合金孪晶界形成的影响

Fig.12   Effect of strain rate ˙) and temperature on the formation of twinning boundaries of the GH4720Li alloy

图10c可以看出,普通大角度晶界和共格孪晶界与γ'强化相相互作用时存在明显的区别,大角度晶界与孪晶界均与γ'强化相之间存在交点。图中γ'相对大角度晶界存在约束力,并对晶界起到拖拽作用,而孪晶界中并未出现该现象。上述结果表明,强化相对普通大角度晶界的约束力要明显大于孪晶界,该作用力的大小可以由晶界与γ'相的相切角α进行表征。图中可以看出,孪晶界的α角接近于90°,明显大于普通大角度晶界,α角数值不同是由普通大角度晶界与共格孪晶界的界面能不同所致。依据Zener理论,如果晶界与强化相相遇,强化相对晶界的约束力与晶界的表面能成比例[33],共格孪晶界由于界面两侧原子几乎完全共格匹配,使得其界面能较低,对于金属Ni而言,共格孪晶界的界面能为0.03 J/m2,而普通的大角度晶界能为0.69 J/m2 [30],因此,具有较高界面能的普通大角度晶界会受到更高的约束力作用。

3 结论

(1) 依据GH4720Li合金不同热变形参数下的动态软化应力可得,动态再结晶为该合金的主要动态软化机制,结合材料热变形组织观察,合金在本工作所有热变形工艺参数下均发生了非连续动态再结晶行为。

(2) 合金在高温低应变速率与低温下变形时均抑制了DDRX行为的发生,在低温下变形时,晶内未完全溶解的细小γ'强化相的钉扎作用能够有效阻碍位错的滑移,部分再结晶晶粒以PI-CDRX方式形成,而高温低应变速率下原始晶界的迁移过程降低了变形晶粒内的位错亚结构和亚晶界密度,从而抑制了非连续动态再结晶晶粒的形核。

(3) 热变形温度与应变速率通过影响合金的动态再结晶行为来改变孪晶界的数量,在1100 ℃下进行热变形时,升高应变速率能够有效地促进孪晶界的形成。普通大角度晶界和共格孪晶界与γ'相作用力的大小可以由相切角α进行表征,普通的大角度晶界具有较高的晶界能,相较于孪晶界其会受到更高的约束力作用。

The authors have declared that no competing interests exist.


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