GH4169合金圆盘时效过程残余应力的演化规律研究
Study on the Evolution of Residual Stress During Ageing Treatment in a GH4169 Alloy Disk
通讯作者: 毕中南,bizhongnan21@aliyun.com,主要从事变形高温合金研究
责任编辑: 李海兰
收稿日期: 2018-09-07 修回日期: 2019-04-08 网络出版日期: 2019-07-24
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Corresponding authors: BI Zhongnan, senior engineer, Tel:
Received: 2018-09-07 Revised: 2019-04-08 Online: 2019-07-24
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作者简介 About authors
秦海龙,男,1989年生,博士
以固溶水淬后的GH4169合金圆盘为研究对象,采用原位中子衍射法研究了时效热处理中的升温、保温和空冷3个阶段残余应力的演化行为,分析了残余应力的演化规律和松弛机制。考虑到工件内部残余应力对γ″相析出行为的影响,采用了2种无应力标样作为分析应力的基准。结果表明,淬火后圆盘中心的旋向和径向存在340.62 MPa的拉应力,轴向存在-33.34 MPa的压应力。升温阶段,材料屈服强度随温度的升高而降低,部分残余应力通过塑性变形进行释放,圆盘中心旋向/径向残余应力从340.62 MPa降至227.67 MPa。保温阶段,残余应力通过蠕变变形进行释放,随着γ″相逐渐析出,蠕变抗力增大,保温阶段的残余应力松弛主要集中在保温的早期。空冷阶段残余应力基本保持不变。
关键词:
GH4169 alloy, a precipitation-strengthened nickel-iron base superalloy, has been widely used in aerospace and energy industries due to its excellent high-temperature strength which derived from the coherent phases (γ″ and γ'). To form these precipitates, the manufacturing process of GH4169 usually involves solid solution heat treatment followed by rapid cooling and double ageing heat treatment. Significant residual stresses are induced during rapid cooling and then partially relieved during the subsequent ageing treatment. However, the reduced residual stress after ageing are still large enough to affect the final machining operations, resulting in the component exceeding the dimensional tolerances if they are not well considered. Furthermore, residual stresses in the final components may lead to further distortion beyond estimation during service, which could deteriorate the engine performances. In the present study, the evolution of residual stresses at heating, isothermal ageing, and air-cooling stages of ageing heat treatment in a GH4169 alloy disk was characterized by in situ neutron diffraction. Considering the effect of residual stresses on the precipitation behavior of γ″, two different types of stress-free samples were used as the basis for the stress analysis. The results show that significant residual stresses were induced during water quenching, which were found to be 340.62 MPa tensile in hoop/radial directions and 33.34 MPa compressive in axial direction in the center of the disk. Subsequently, an in situ ageing heat treatment was undertaken at 720 ℃ for 8 h. During the heating stage, the yield strength of the material decreases with increasing temperature, leading to residual stress relaxation through plastic deformation from 340.62 MPa to 227.67 MPa in hoop/radial direction in the disk center. At the isothermal ageing stage, residual stresses relieved apparently by about 40 MPa during the first 100 min, later on a slower linear relaxation remained for the rest of the ageing heat treatment. The strength of the alloy increased and the creep rate decreased due to the formation of γ″ and γ′ strengthening phases, indicating that most of stress relaxation occurred as a result of creep deformation at the early stage of isothermal ageing. The magnitude of residual stress was almost invariable in the subsequent air-cooling stage.
Keywords:
本文引用格式
秦海龙, 张瑞尧, 毕中南, 杜洪标, 张金辉.
QIN Hailong, ZHANG Ruiyao, BI Zhongnan, Tung Lik Lee, DONG Hongbiao, DU Jinhui, ZHANG Ji.
GH4169合金(国外牌号Inconel 718)是目前应用最为广泛的沉淀强化型镍基变形高温合金,在650 ℃以下具有较高的强度和塑性及良好的抗疲劳和耐腐蚀性[1,2],是航空、航天、石油化工及核能等领域大量应用的关键材料[3,4,5]。GH4169合金以γ″-Ni3Nb相为主要强化相,γ′-Ni3(Al, Ti)相为辅助强化相。标准热处理后的显微组织主要由基体γ相、弥散分布的γ″和γ′、δ相以及少量MC相组成。为了满足预期的强化水平,固溶后的工件常进行快速冷却(水淬或油淬),以避免主要强化相γ″在冷却时析出并发生粗化[6]。与此同时,由热应力造成的不均匀塑性变形则会产生约400 MPa的残余应力[7,8,9]。Dye等[7]和Rist等[8]采用中子衍射法和有限元模拟相结合的方式,研究了淬火过程残余应力的产生过程及分布状态,认为在快速冷却过程中避免了γ″相的析出,淬火过程中的组织变化可以忽略,同时,由热应力产生的不均匀塑性变形导致了较大残余应力的产生,其分布状态为“外压内拉”。
本工作以GH4169合金圆盘工件为研究对象,自主设计了可应用于散裂中子源的原位加热装置,研究了时效热处理过程中的升温、保温及空冷3个阶段残余应力的演化行为,分析了残余应力的演化规律及松弛机制。同时考虑到内应力对γ″相析出行为的影响,在分析应力的过程中采用了2种不同形式的无应力标样作为基准。
1 实验方法
1.1 实验材料
实验用GH4169合金的化学成分(质量分数,%)为:C 0.023,Cr 18.05,Nb 5.42,Ti 0.91,Al 0.48,Mo 2.90,Fe 18,Ni余量。合金锻件采用真空感应熔炼+电渣重熔+真空自耗重熔的三联冶炼工艺制备。铸锭的高温扩散退火工艺为:1160 ℃、24 h+1190 ℃、72 h+空冷。随后,铸锭经锻造和车削成尺寸为直径200 mm、厚20 mm的圆盘,用以模拟全尺寸盘件。GH4169合金圆盘在980 ℃固溶2 h后进行水淬,在圆盘内部形成淬火残余应力。
采用GX71型光学显微镜(OM)、JSM-7800F型场发射扫描电子显微镜(SEM)和Tecnai G2 F20型透射电子显微镜(TEM)进行组织观察。淬火态GH4169合金(980℃固溶2 h+水淬)高温拉伸实验按照国标GB/T 228.2-2015进行。蠕变实验按照国标GB/T 2039-2012进行。
1.2 原位中子衍射实验
图1
图1
原位中子衍射实验平台的搭建
Fig.1
In situ neutron diffraction experiment during ageing treatment
(a) heating by ceramic blanket under clad insulation (b) covering by heat-preservation cotton
由于中子衍射法单个数据点测试所需的收集时间较长(单点约10 min),在本研究中的原位升温和保温过程中只测量圆盘中心的衍射数据。同时,圆盘中心处于轴对称位置,径向和旋向等价。图2所示是中子路径与圆盘中测量位置的示意图。为使采样点位于规范体积中心,实验借助激光经纬仪对采样点进行定位,定位精度优于0.05 mm。在圆盘中心径向和旋向等价,接收器1 (detector bank 1)收集旋向/径向数据,接收器2 (detector bank 2)收集轴向数据。中子衍射实验的采样体积为4 mm×4 mm×4 mm。实验流程如下:(1) 在室温下收集圆盘(D1)中心的衍射数据,收集时间为10 min;(2) 圆盘试样以15 ℃/min的加热速率被加热至720 ℃,在此过程中分别在340和530 ℃时保温约20 min,并收集相应温度下圆盘中心的中子衍射数据;(3) 加热至720 ℃后,保温8 h,不间断收集中子衍射数据;(4) 空冷至室温后测量圆盘中心的残余应力。
图2
图2
中子衍射谱仪光路及衍射点位置示意图
Fig.2
Schematic of neutron path and location for neutron diffraction
1.3 无应力标样s0的制备与测试
考虑到工件内部残余应力对γ″相时效析出行为的影响,在计算分析样品的残余应变时,采用了2种无应力标样作为分析应力的基准:(1) 动态无应力标样:直径200 mm、厚60 mm的工件经过980 ℃固溶2 h后进行水淬,随后在其中切取直径3 mm、长9 mm的s0-1试样(图3)。s0-1试样被固定在圆盘D1的表面一同加热和保温,并在圆盘D1测试的间隙进行测试,采样体积为2 mm×2 mm×2 mm,采样时间为1 min,动态无应力标样中γ″相的时效析出过程处于无应力状态;(2) 静态无应力标样:本实验中同步制作了4个尺寸相同的圆盘(D2、D3、D4和D5)作为平行圆盘试样。在980 ℃固溶2 h后水淬,分别在720 ℃时效0.5、2、4和8 h。使用电火花切割,在圆盘D2、D3、D4和D5的中心处切取s0-2、s0-3、s0-4和s0-5试样,尺寸如图3所示。测试前以约50 ℃/min的速率加热至720 ℃,保温2 min后收集衍射数据。静态无应力标样中γ″相的时效析出过程处于圆盘淬火残余应力的影响下。试样s0-1、s0-2、s0-3、s0-4和s0-5均从较大尺寸的工件中取出,其自身的尺寸较小,同时被切割成筛形(图3),因而原始工件中绝大部分的残余应力会在试样加工过程中得到释放。
图3
1.4 残余应力及其误差的计算
实验数据分析采用Open GENIE软件中的Pawley多峰拟合[24]得出。散裂中子源的优势在于测试结果为全谱数据,可降低晶间应力的影响,其应力测试结果的误差较小。残余应变(ε)计算公式为:
式中,t0为无应力标准样品飞行时间,t为样品的飞行时间。样品无残余应力时,晶格常数(a)对应于材料的无应变(或无应力)值a0;样品有应力时,晶格常数改变Δa并且每一个Bragg峰都将偏移。因此,无应力标样s0的选择对于中子衍射应力分析的准确性具有至关重要的影响。然后,通过Hooke定律便可以计算出相应衍射体积内的正应力[25]:
σ22和σ33的计算公式可依次类推。式中,E为弹性模量,v为Poisson比。不同温度下的E和v数据均取自文献[26]。ε11、ε22和ε33为正应变。残余应力拟合分析误差主要来源于2部分:(1) 由Pawley拟合所造成工件测试部位的统计误差
式中,ai为圆盘工件中测试位置处对应的晶格常数。
2 实验结果
2.1 温度场变化
圆盘D1以约15 ℃/min的加热速率被逐渐加热至720 ℃,其中在340和530 ℃时保温约20 min。2个K型热电偶分别位于试样端面的中心和边缘。图4中方点和圆点分别为圆盘中心和边缘实测的温度数据,图中实线则为圆盘加热过程的设定温度。由图可知,圆盘D1的加热速率较为均匀,只在高温度段(600~720 ℃),实测的加热速率有所减缓,这与高温下热量流失有关。在2个热电偶测定温度都达到720 ℃后,实验进入保温阶段。在720 ℃保温8 h后,圆盘工件被空冷至室温。
图4
图4
圆盘D1加热过程中的升温曲线
Fig.4
Temperature profile of the disk during in situ heating experiment
2.2 组织变化
图5
图5
固溶水淬后圆盘试样微观组织的OM和SEM像
Fig.5
OM (a) and SEM (b) images of the microstructures of disk after quenching
图6所示为动态无应力标样s0-1和静态无应力标样(s0-2和s0-5)在时效保温0.5和8 h后微观组织的TEM明场像。720 ℃时效0.5 h后,s0-1中可观察到细小的γ″相形核析出,其尺寸约为5~10 nm (图6a)。在时效8 h后,γ″的长轴直径长大至30~40 nm (图6b)。静态无应力标样中的γ″相析出行为与动态无应力标样(s0-1)略有不同。如图6c所示,在720 ℃时效保温0.5 h后,s0-2的组织中较s0-1试样拥有更高数量密度的γ″相核心。显然,圆盘工件中心的残余应力促进了γ″相的形核析出。在720 ℃时效8 h后(图6d),s0-5中的γ″尺寸明显小于s0-1标样,而数量密度更高。
图6
图6
不同保温时间下动态无应力标样和静态无应力标样的TEM明场像
Fig.6
TEM bright-field images of s0-1 (a, b), s0-2 (c) and s0-5 (d) samples aged for 0.5 h (a, c) and 8 h (b, d)
值得注意的一点是,当加热温度超过650 ℃时,GH4169合金中的γ″ (D022)为亚稳相,并将最终转换为稳定相δ-Ni3Nb (D0a)。但在900 ℃以下,δ相的转变动力学非常缓慢。在本工作720 ℃条件下,γ″相转变成δ相需要保温超过50 h[27],远远长于时效时间(8 h),因此在时效过程中没有新的δ相生成。
2.3 残余应力的演化行为
表1所示为升温阶段晶格常数、应变及残余应力随温度的变化。由于圆盘中心处于轴对称位置,径向和旋向等价。在升温开始前,淬火后圆盘中心的旋向和径向存在着残余拉应力,为340.62 MPa,轴向存在着-33MPa的残余压应力。Dye等[7]和Rist等[8]采用中子衍射法表征了淬火后GH4169合金圆盘的内部残余应力分布,约为-400~400 MPa,并沿轮廓呈“外压内拉”特征分布,具体的残余应力大小与工件尺寸有关。本研究中的圆盘尺寸为直径200 mm、厚20 mm,以模拟全尺寸涡轮盘锻件。对于径向尺寸明显大于轴向尺寸的盘型锻件而言,残余应力难以在轴向上进行累计,故残余应力主要以旋向和径向为主,轴向相对较低。
表1 升温过程中的晶格常数、应变及残余应力随温度的变化情况
Table 1
Temperature ℃ | Direction | a / nm | Strain / 10-6 | Stress / MPa | |||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Value | Error | Value | Error | Value | Error | ||
20 | Hoop/Radial | 0.360768 | 0.0000075 | 1251.68 | 20.82 | 340.62 | 10.01 |
Axial | 0.359896 | 0.0000072 | -1168.42 | 19.98 | -33.34 | 9.88 | |
340 | Hoop/Radial | 0.362451 | 0.0000085 | 1373.10 | 23.48 | 321.85 | 9.28 |
Axial | 0.361486 | 0.0000079 | -1292.98 | 21.83 | -60.70 | 9.04 | |
530 | Hoop/Radial | 0.363492 | 0.0000091 | 1315.11 | 25.07 | 289.73 | 9.33 |
Axial | 0.362550 | 0.0000085 | -1279.69 | 22.59 | -65.71 | 8.99 | |
720 | Hoop/Radial | 0.364428 | 0.0000101 | 1165.99 | 27.75 | 227.67 | 10.38 |
Axial | 0.363502 | 0.0000088 | -1351.96 | 24.18 | -77.74 | 9.94 |
在时效的加热过程中,圆盘中心旋向/径向残余应力随加热温度的升高而逐渐降低,从淬火后的340.62 MPa降至227.67 MPa,释放量约占33%。而轴向残余压应力的量级较小,从淬火后的-33.34 MPa演变为升温结束后的-77.74 MPa。
图7
图7
保温时效过程中圆盘中心和无应力标样晶格常数变化曲线
Fig.7
Profiles of a in the center of disk during isothermal ageing process
式中,y1、A1、A2、A3、l、m、n均为常数。如图所示,动态无应力标样(s0-1)和静态无应力标样(s0-2~s0-5)中均出现了晶格常数减小的现象,其主要原因为:γ奥氏体基体在时效保温阶段逐渐析出以γ″(Ni3Nb)为主的第二相,组成γ″相的主要元素Nb从过饱和基体逐渐迁移扩散到新相中,导致基体的晶格常数逐渐减小。同时,由于内应力对γ″相析出行为有显著的促进作用(图6),静态无应力标样(圆盘中心)中的γ″相析出更为快速,其晶格常数变化也更为显著。此外,圆盘轴向和旋向/径向的实验数据在250和400 min存在一定的波动,这可能与原位实验过程中圆盘试样的温度波动有关。轴向晶格常数在250 min左右的波动最为明显,其波动区间为0.363471~0.363328 nm。根据相关资料[7]显示,在700 ℃条件下GH4169合金的热膨胀系数约为15.6×10-6 ℃-1,因此晶格常数的最大波动量仅与温度场±12.5 ℃波动所造成的影响相似。考虑到中子衍射原位加热装置的简易性,晶格常数的波动不能排除温度场波动的影响。相比之下,图7中s0-1试样的体积较小,内部温度均匀,其数据并未出现波动。此外,旋向/径向也存在着数据波动的现象,但明显小于轴向。如图1a所示,为了便于中子束流的通过,在圆盘中心轴向的两端摘除了相应的陶瓷片及加热丝,致使轴向易受到温度波动的影响,产生一定的温度梯度,从而导致轴向的实验数据波动较明显。虽然温度的偶然波动造成了晶格常数的波动,但其变化趋势仍具有较强的规律性。
图8
图8
保温时效过程中圆盘中心残余应力演化规律
Fig.8
Evolution of residual stress in the center of disk during isothermal ageing process on the basis of dynamic non-stress standard sample (a) and static non-stress standard sample (b)
如图8b所示,以静态无应力标样为基准时,圆盘中心旋向和径向残余拉应力出现了典型的应力松弛特征:应力松弛主要出现在时效前期(约100 min前),随后进入相对较慢且稳定的线性松弛阶段。时效开始时残余拉应力为227.67 MPa,时效8 h后逐渐演变为177.97 MPa,其释放量占原始淬火残余应力数值的15%。轴向残余压应力的数值较低,在保温过程中几乎保持不变。静态无应力标样中的组织状态与原位衍射圆盘D1中心位置保持高度一致,因此以其为基准计算分析得出的应力值具有更高的可信度,规律性更好。
图9给出了热处理过程中升温、保温和空冷3个阶段的残余应力演化行为数据(以静态标样为基准)。圆盘中心主要受到旋向和径向残余拉应力作用,淬火后形成约340.62 MPa应力,升温阶段逐渐演化为227.67 MPa,保温阶段结束后为177.97 MPa,空冷阶段对残余应力的影响不大。圆盘中心轴向残余压应力较小,且在时效过程中无明显变化。
图9
图9
时效升温、保温和空冷阶段圆盘中心残余应力的演化行为
Fig.9
Evolution of residual stress in the center of disk during ageing treatment
3 分析讨论
3.1 无应力标样的选择及其对应力分析的影响
静态无应力标样s0-2~s0-5分别取自时效保温不同时间后的平行圆盘试样(D2~D5)中心,其组织状态与相同时效时间下的圆盘D1完全相同。在被快速加热至720 ℃后,温度场与圆盘D1也保持一致。因此,以静态无应力标样为基准分析应力时,结果较为准确。
3.2 γ″相析出对应力分析误差的影响
圆盘中心旋向/径向在时效开始(5 min)和结束(480 min)时的衍射全谱及(200)晶面衍射峰分解如图10所示。在时效热处理过程中,GH4169合金晶内逐渐析出γ″相和γ′相。而γ″相和γ′相与基体的晶格常数非常接近(aγ″ =bγ″ ≈aγ′ ≈aγ ,cγ″ ≈2aγ[29,30]),使得其衍射峰与基体的衍射峰部分重叠,从而导致应力拟合分析误差增大。如图10b所示,在时效保温刚开始时(5 min),无法观察到γ″相析出,(200)晶面衍射峰没有叠加析出相的干扰。而时效480 min后,γ″相和γ′相析出并长大,可以观察到γ″(200)晶面衍射峰与基体γ(200)晶面衍射峰部分重叠。而γ′相与基体的错配度更低,且γ′相的含量较少,使得γ′相的衍射峰与基体的衍射峰完全重叠在一起,无法分解。图11所示为应力拟合分析误差随时效时间的变化。时效前应力误差较小,约为10 MPa。随着时效时间的延长,γ″相逐渐析出,分析误差也随之逐渐增大至30 MPa。
图10
图10
圆盘中心旋向/径向在时效开始(5 min)和结束(480 min)时的衍射谱及(200)晶面衍射峰分解
Fig.10
Neutron diffraction spectra at the beginning (5 min) and the end (480 min) of creep test in longitudinal direction (a), and the separation of overlapped peak (200) (b)
图11
图11
应力拟合分析误差随时效时间的变化
Fig.11
Evolution of stress fitting error with increasing ageing time
3.3 升温阶段残余应力的释放机制
图12
图12
不同温度下淬火态GH4169合金的屈服强度
Fig.12
Yield strength of as-quenched materials vs temperature
式中,σ1、σ2、σ3分别为第一、二、三主应力。在Von Mises屈服准则中,等效应力为进入屈服阶段的标志。在升温至340、530和720 ℃时,圆盘工件中心处的等效残余应力与该温度下材料的屈服强度数值大体相当。因此在时效的升温阶段,由于材料强度随温度的升高而逐渐降低,超过屈服强度的残余应力会通过塑性变形的方式进行释放。
3.4 保温阶段残余应力的释放机制
图13a和b分别为Jmatpro软件(CALPHAD)计算得出的γ″相、γ′相体积分数和尺寸随时效时间的变化关系曲线。结果显示,γ″相和γ′相在时效早期的100 min内迅速析出并长大,该计算结果符合实验观察结果[3,21,22,33]。强化相粒子会阻碍位错运动,从而提高了材料强度。图13c所示为材料屈服强度随时效过程中保温时间的变化曲线,图中数据点为室温拉伸实验结果,实线为考虑位错与强化相粒子交互作用[34,35,36]而得到的计算结果。在时效前期的100 min内,由于γ″相和γ′相析出,材料的强度迅速提高。图13d所示为原始组织为淬火态GH4169合金(980℃固溶2 h后水淬)在720 ℃不同应力条件下的蠕变变形曲线。GH4169合金的蠕变抗力与组织中γ″相粒子的尺寸和体积分数密切相关[37,38]。在时效过程中,晶内逐渐析出γ″强化相,从而阻碍位错运动,导致蠕变抗力的增加和蠕变速率的减慢。如图13d中所示,在时效的前100 min内,强化相粒子逐渐析出长大,材料的强度提高,蠕变变形速率显著降低。
图13
图13
GH4169合金时效保温过程中的组织及性能演化
Fig.13
Evolution of microstructure and mechanical properties of GH4169 alloy during isothermal aging treatment
(a) volume fraction of γ″ and γ′
(b) average diameter of γ″ and γ′
(c) yield strength at room temperature
(d) creep strain of as-quenched GH4169 alloy at 720 ℃
在本研究中的时效保温阶段,以圆盘中心的旋向和径向残余应力为例,出现了典型的应力松弛特征:残余应力松弛主要出现在时效前期(约100 min前),随后进入相对较慢且稳定的线性松弛阶段。应力松弛过程可近似等效为多个微小时间段蠕变累计引起的应力变化。在时效保温的前期阶段,材料的蠕变抗力较低,残余应力松弛的速率较快;而随着保温时间的增加,材料内部逐渐析出γ″相和γ′相,材料的强度迅速提高,蠕变抗力增大,残余应力的释放也进入稳态阶段。
综上所述,在时效热处理的保温阶段,残余应力主要通过蠕变变形的方式进行释放;伴随着强化相的析出,材料强度逐渐增加,蠕变速率减慢,因此应力松弛主要发生在时效早期阶段。GH4169合金中的主要强化相为γ″相,而工件内部的残余应力状态会改变γ″相的时效析出行为,从而导致本构关系的变化[21]。
3.5 时效后空冷阶段对残余应力的影响
4 结论
(1) 利用原位中子衍射法分别表征了时效热处理中升温、保温和空冷3个阶段残余应力的演化行为。考虑到工件内部残余应力对γ″相析出行为的影响,在分析应力的过程中采用了2种不同形式的无应力标样作为基准。静态无应力标样取自时效不同时间后的平行圆盘试样,与原位衍射圆盘试样中心处的组织状态高度一致,以其为基准分析应力时,结果较为准确。
(2) 时效升温阶段中材料强度逐渐降低,部分残余应力会通过塑性变形的方式进行释放,圆盘中心处旋向/径向残余拉应力的数值从淬火后的340.62 MPa降至227.67 MPa,释放量占33%。
(3) 时效保温阶段中,残余应力主要通过蠕变变形的方式进行释放,释放量约占15%。伴随着γ″强化相在晶内逐渐析出,材料强度随之提高,蠕变抗力增大,因此保温过程中残余应力松弛主要集中在时效早期。
(4) 由于时效后空冷产生的热应力较低,而此时材料屈服强度较高,难以发生塑性变形,所以残余应力与空冷前相比保持同一水平。