金属学报, 2019, 55(9): 1185-1194 DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00085

研究论文

多场耦合作用下GH4169合金变形行为与强韧化机制

王磊,, 安金岚, 刘杨, 宋秀

东北大学材料各向异性与织构教育部重点实验室 沈阳 110819

Deformation Behavior and Strengthening-Toughening Mechanism of GH4169 Alloy with Multi-Field Coupling

WANG Lei,, AN Jinlan, LIU Yang, SONG Xiu

Key Laboratory for Anisotropy and Texture of Materials, Ministry of Education, Northeastern University, Shenyang 110819, China

通讯作者: 王 磊,wanglei@mail.neu.edu.cn,主要从事结构材料微观组织控制及强韧化研究

收稿日期: 2019-03-27   修回日期: 2019-05-11   网络出版日期: 2019-08-28

基金资助: 国家自然科学基金项目.  Nos.U1708253,51571052
沈阳航空航天大学校引进人才科研启动基金项目.  No.18YB55

Corresponding authors: WANG Lei, professor, Tel:(024)83681685, E-mail:wanglei@mail.neu.edu.cn

Received: 2019-03-27   Revised: 2019-05-11   Online: 2019-08-28

Fund supported: Supported by National Natural Science Foundation of China.  Nos.U1708253,51571052
Scientific Research Foundation of Shenyang Aerospace University.  No.18YB55

作者简介 About authors

王磊,男,1961年生,教授,博士

摘要

研究了脉冲电流/温度/应力多场耦合作用下,镍基GH4169合金的变形行为与强韧化机理。结果表明,GH4169合金在脉冲电流/温度/应力作用下,GH4169合金变形抗力降低、塑性变形能力提高,在高温下脉冲电流的引入加剧了原子热振动、金属晶格Pereils力下降,由此降低了合金变形抗力,增强了合金塑性变形协调能力。而当GH4169合金经脉冲电流/温度场耦合时效处理,则可以显著提高合金的高温强度和韧性,脉冲电流/温度耦合作用提高了合金基体空位缺陷密度,促进了其在随后高温变形过程中析出大量数纳米级新γ"相强化相,而脉冲电流/温度场耦合时效处理过程中析出、粗化的γ"相以及其与合金高温变形中新析出数纳米级γ"相的协同作用,使合金实现了强韧化。

关键词: GH4169合金 ; 多场耦合 ; 塑性变形 ; 强韧化

Abstract

The superalloy is one of key metal materials, representing the level of scientific and technological development. Nickel-based superalloy is the most important which has been widely used for rotating component of aerospace. Nickel-based GH4169 alloy shows excellent combination properties including good fatigue property, excellent oxidation and corrosion resistance, as well as the microstructure stability during long-term ageing. The using amount of GH4169 alloy is about 45% of total wrought superalloys. For satisfying high performance of aero-engine, both strength and ductility of GH4169 alloy at high temperature are required to be simultaneously improved for safety servicing. It is an effective method to strengthen alloys by adding alloying elements. The alloying element addition ratio of GH4169 alloy is more than 40%, which unavoidably leads to hard deforming and plasticity declining, so that it restricts the further application of the alloy. Therefore, it is key to find methods realizing strengthening-toughening and without any losing of hot-deforming ability. In this work, the plastic deformation behavior and strengthening-toughening mechanisms of GH4169 alloy with multi-field coupling (electric-pulse current (EPC)/temperature/stress) were investigated. The results show that the deformation resistance of GH4169 alloy decreases and plastic deformation ability increases with multi-field coupling. The thermal vibration of atoms enhances and thus leads to decreasing of Peierls force with multi-field coupling, which is the essential factor on decreasing of deformation resistance and increasing of plastic deformation coordinate ability. When the alloy aged with electric-pulse treatment (EPT)/temperature coupling, the ultimate strength, yield strength and fracture elongation increase simultaneously at elevated temperatures. The vacancy concentration increases of the alloy aged with EPT/temperature coupling. Vacancy induces ultrafine nm-sized γ" phase to precipitate during tensile deformation at high temperature, which is the key factor on strength and ductility improvement. At the same time, because of the EPT/temperature coupling ageing, part of γ" phases precipitate around dislocation, while, due to the increasing of γ" phase size, the ductility of the alloy will be improved. With the multi-field coupling treatment, the strengthening-toughening of GH4169 alloy can be realized depended on an appropriate distribution of two kind sizes of γ" phase.

Keywords: GH4169 alloy ; multi-field coupling ; plastic deformation ; strengthening-toughening

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本文引用格式

王磊, 安金岚, 刘杨, 宋秀. 多场耦合作用下GH4169合金变形行为与强韧化机制. 金属学报[J], 2019, 55(9): 1185-1194 DOI:10.11900/0412.1961.2019.00085

WANG Lei, AN Jinlan, LIU Yang, SONG Xiu. Deformation Behavior and Strengthening-Toughening Mechanism of GH4169 Alloy with Multi-Field Coupling. Acta Metallurgica Sinica[J], 2019, 55(9): 1185-1194 DOI:10.11900/0412.1961.2019.00085

高温合金是国家科技发展水平和国防能力的重要标志性金属材料,作为航空航天领域高温结构件用材料,处于不可替代的地位[1,2,3,4]。镍基高温合金已成为目前发动机高温复杂结构件的重要材料[5,6,7],镍基变形GH4169合金在现代航空发动机制造业中有举足轻重的地位,其使用量占变形高温合金总量约45%,广泛应用于制造航空、航天发动机和燃气轮机等关键热端部件[8,9,10]。随着航空发动机推重比不断提高,对发动机涡轮盘、涡轮轴和叶片等关键转动部件提出了更高的服役要求,所用合金除需具有良好的抗热腐蚀性能和良好的长期服役组织稳定性外,更需要有优异的高温强度及韧性。因此,亟待寻找新的方法实现合金的强韧化。增加合金元素含量系基本的方法,如GH4169合金的合金化元素添加量高达40%。随着合金化程度提高,合金强度提高,然而合金热加工过程中变形抗力也随之增加,变形过程中合金易产生开裂等问题,合金塑性变形能力降低,严重制约了高温合金的生产和实际应用。因此,探寻新方法实现合金强韧化的同时不影响合金热加工性能,成为解决合金热加工难问题的关键。本工作借鉴本课题组[11,12,13,14,15]近年外场技术在材料领域的研究成果,将多场耦合研究引入镍基高温合金,研究脉冲电流/温度/应力场耦合作用下GH4169合金的变形行为及强韧化机理,以期为高温合金的强韧化探索新途径和方法。

图1

图1   拉伸试样尺寸

Fig.1   Schematic of tensile specimen size (unit: mm)


1 实验材料及方法

实验选用优质GH4169合金热轧板,其主要成分(质量分数,%)为:Fe 18.73,Cr 18.93,Mo 3.04,Nb+Ta 5.26,Ti 1.00,Al 0.56,Si 0.08,C 0.031,B 0.004,S 0.008,Ni余量。合金经真空感应与真空自耗熔炼,再均匀化处理后经热锻造、轧制成板材。经1000 ℃、10 min固溶处理后机加工成如图1中所示的拉伸试样。

固溶态试样在脉冲电流/温度/应力多场耦合作用下,研究GH4169合金拉伸变形行为(以下简称为“耦合场拉伸”),拉伸实验温度为750、800和850 ℃;施加的脉冲电流频率为10、30和40 Hz,脉冲电流密度为330 A/mm2,脉宽为30 μs。研究脉冲电流/温度场耦合时效(以下简称为“耦合场时效”)处理后GH4169合金微观组织特征及高温拉伸变形行为的试样,经高温固溶处理后在750和800 ℃下进行脉冲电流时效处理(脉冲电流频率分别为10和40 Hz,脉冲电流密度为440 A/mm2,脉宽30 μs,时效时间分别为5、10和20 min)。合金经耦合时效处理后进行高温拉伸变形实验,拉伸实验温度分别为750和800 ℃。拉伸实验均在MTS 810液压伺服试验机上完成,横梁位移速率为0.5 mm/min。

利用JSM-6510型扫描电子显微镜(SEM)观察显微组织及断口形貌。采用JEM-2100F型透射电子显微镜(TEM)表征析出相形貌及位错组态。采用JEM-ARM200F高分辨透射电镜(STEM)对析出相微区结构及相界面进行分析。利用Nano-measure软件定量表征析出相尺寸。

2 结果与讨论

2.1 固溶组织

GH4169合金经1000 ℃、10 min固溶处理后显微组织如图2所示。合金平均晶粒尺寸约为25 μm,未见晶界析出相(图2a)。TEM及选区电子衍射(SAED)花样(图2b)分析表明晶内亦无析出相,合金元素固溶于基体。

图2

图2   GH4169合金固溶处理显微组织的SEM像、TEM像及SAED花样

Fig.2   SEM (a) and TEM (b) images of GH4169 alloy after solution heat treatment (Inset shows the SAED pattern)


2.2 GH4169合金的耦合场拉伸变形行为

固溶处理后GH4169合金的耦合场拉伸性能如表1所示。与纯温度场拉伸结果相比,耦合场拉伸的合金屈服强度和抗拉强度降低、断裂延伸率大幅增加,即耦合场拉伸合金协调塑性变形能力显著提升。

表1   GH4169合金耦合场拉伸性能

Table 1  Yield strength, ultimate strength and elongation of GH4169 alloy tensile deformed with multi-field coupling at elevated temperatures

Temperature / ℃Frequency / Hzσb / MPaσs / MPaδk / %
750067132119.4
1067033319.2
3063730018.3
4051532521.8
80005424439.2
1045737521.9
3042035826.2
4029424129.1
850033731332.1
1026422933.9
3019419436.5
4015115140.3

Note: σb—ultimate stress, σs—yield stress, δk—elongation

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图3为GH4169合金耦合场拉伸变形断口形貌。纯温度场拉伸变形,合金断裂以沿晶断裂为主,断口形貌呈典型冰糖花样特征,如图3a、c和e所示。耦合场拉伸(脉冲电流频率40 Hz)合金断口呈类似韧窝形貌特征(简称准韧窝),如图3b、d和f所示。沿准韧窝长轴方向测量其平均尺寸,温度为750 ℃时,准韧窝平均尺寸为23.5 µm左右;温度为800 ℃时,准韧窝平均尺寸为16.37 µm左右;温度为850 ℃时,准韧窝平均尺寸为14.6 µm左右。准韧窝平均尺寸与合金晶粒尺寸相近。因此可见该类似韧窝形貌的准韧窝为合金晶界发生塑性变形至断裂所形成。GH4169合金耦合场拉伸,合金协调塑性变形能力增强,最终断裂前合金整体均发生较大塑性变形。

图3

图3   GH4169合金耦合场拉伸变形断口形貌

Fig.3   The fracture surface morphologies of GH4169 alloy tensile deformed multi-field coupling (EPC—electric-pulse current)

(a) 750 ℃, 0 Hz-EPC (b) 750 ℃, 40 Hz-EPC (c) 800 ℃, 0 Hz-EPC

(d) 800 ℃, 40 Hz-EPC (e) 850 ℃, 0 Hz-EPC (f) 850 ℃, 40 Hz-EPC


与纯温度场拉伸变形行为相比,耦合场拉伸GH4169合金协调塑性变形能力显著增强。GH4169合金的合金化程度高,耦合场拉伸变形过程中伴随多种相(γ'相、γ"相和δ相)的演化,这些相的演化亦影响合金的变形行为。以800 ℃下拉伸变形为例,结合拉伸变形不同阶段的变形特征以及合金组织演化行为,将耦合场拉伸下GH4169合金协调塑性变形能力增强机理,分阶段讨论如下。

2.2.1 耦合场拉伸下的原子热振动与塑性变形行为

为了澄清耦合场拉伸变形抗力降低的本质,本工作设计了如图4中所示的系列实验。即在耦合场下,将合金拉伸变形至屈服、均匀塑性变形阶段、最大变形抗力(抗拉强度)以及非均匀塑性变形阶段,瞬间撤除脉冲电流(仅存温度/应力场)而后再度恢复脉冲电流。如图4所示,合金的变形抗力在脉冲电流撤除的瞬间无任何滞后增高,变形抗力分别增加53、60、69和75 MPa。伴随着脉冲电流撤除,变形抗力均在10 s以内达到稳定状态。通过焊接在试样表面的热电偶测量温度变化,发现试样温度仅分别下降13、10、9和12 ℃。由此表明变形抗力的大幅升高并非由于温度微降所致。而当变形抗力稳定后再施加脉冲电流,变形抗力随着脉冲电流的恢复速降,变形抗力分别降低40、40、40和69 MPa。即,拉伸中脉冲电流撤除则变形抗力瞬间升高,恢复脉冲电流则变形抗力瞬间降低。

图4

图4   GH4169合金耦合场拉伸中不同阶段移除和恢复脉冲电流应力-应变曲线

Fig.4   Stress-strain curves of GH4169 alloy with EPC removed and recovered at different deforming stages with multi-field coupling

(a) deformation of 1.8%-σs (b) deformation of 5%-plastic deforming behavior before necking

(c) deformation of 11%-σb (d) deformation of 18%-plastic deforming behavior after necking


有研究证明,脉冲电流对塑性变形行为的影响主要包括原子能量状态[16]、位错运动[17]、相析出[18]和动态再结晶[19]等。位错密度降低、相析出长大以及动态再结晶等过程均依赖于时间,10 s以内难以发生巨变而引起变形抗力改变。

研究[20]表明,金属材料的变形抗力一般随温度升高而降低,这源于随温度升高金属原子振动加剧,进而使合金晶格Peierls力降低。结合本实验结果,可推断耦合场拉伸中合金变形抗力降低主要源于脉冲电流的引入诱发原子振动加剧。耦合场拉伸变形中,由于脉冲电流诱发大量漂移电子定向迁移,而与原子发生碰撞,由此原子获得动量及能量,原子振动加剧、间距增大、结合力降低,进而引起合金晶格Peierls力降低。当脉冲电流撤除后,原子立刻回复至原始能级状态,合金晶格Peierls力亦恢复至正常值。可见,耦合场拉伸变形,原子振动加剧促使合金晶格Peierls力降低是合金变形抗力降低的根本要因。

2.2.2 耦合场拉伸下合金的屈服变形行为

与纯温度场拉伸变形行为相比,耦合场拉伸合金屈服强度降低。合金拉伸屈服源于合金中位错的运动与增殖,其抗力主要取决于点阵摩擦阻力,即Peierls力[21],多场耦合下合金晶格Peierls力降低,进而合金屈服强度降低。当然,除Peierls力外,合金中的固溶元素、位错运动、析出相以及晶粒尺寸均影响屈服强度,但在本研究中试样晶粒尺寸均约25 µm,且其它诸因素均相同,故这些对变形抗力的影响可忽略。

合金的屈服源于位错运动,而其变形抗力取决于位错的增殖与湮没[22]。合金的屈服强度正比于临界切应力[23]。临界切应力(τ)表达式为[24,25]

τ=αGbρ1/2

式中,α是常数,G是切变模量,b是Burgers矢量模,ρ是位错密度。随着应变增加位错增殖,位错密度增大进而加剧位错缠结。800 ℃下合金耦合场拉伸变形至变形量为5%时中止,将拉伸样品迅速冷却至室温,合金中位错组态的TEM像如图5所示。与纯温度场拉伸变形相比,耦合场拉伸变形合金中位错密度降低。耦合场拉伸中漂移电子对位错运动施加电子风力[26],漂移电子促进位错滑移乃至攀移,进而使位错缠结打开。因此位错密度降低,临界切变应力降低,进而合金屈服强度降低。

图5

图5   GH4169合金800 ℃耦合场下拉伸变形5%时位错组态

Fig.5   Dislocation configurations in GH4169 alloy tensile deformed at 800 ℃ with 5% strain with/without multi-field coupling

(a) non-EPC (b) 40 Hz-EPC


2.2.3 耦合场拉伸下合金的均匀塑性变形行为

表1所示,与纯温度场拉伸变形行为相比,耦合场拉伸合金抗拉强度降低。如前所述,耦合场拉伸中合金晶格Peierls力降低成为变形抗力降低的要因。分析发现,随着变形量增大,应力诱导合金γ′相和γ"相析出。定量分析表明,常规800 ℃时效处理30 h,合金中γ′相尺寸仅约为10 nm,体积分数不足1.9%[15]。本研究中合金耦合场拉伸变形至断裂,最长时间不足20 min,γ′相尺寸小、体积分数很低,因此γ′相对变形行为的影响甚微。合金800 ℃拉伸变形至12%时中止拉伸,快速冷却至室温,合金中γ"相的TEM像如图6所示。纯温度场拉伸变形,合金中γ"相平均尺寸为29 nm,40 Hz脉冲电流耦合场拉伸,合金中γ"相平均尺寸增大至57 nm。该尺寸超过位错切过的γ"相临界尺寸,位错运动以绕过γ"相为主。由Orowan绕过机制[24]可知,合金强度随沉淀相尺寸增大而降低。因此,耦合场拉伸下合金变形抗力降低,抗拉强度下降。

图6

图6   GH4169合金800 ℃耦合场下拉伸变形至12%变形量时γ"相TEM像

Fig.6   TEM images of γ" phase in GH4169 alloy tensile deformed at 800 ℃ with 12% strain with/without multi-field coupling

(a) non-EPC (b) 40 Hz-EPC


2.2.4 耦合场拉伸下合金的非均匀塑性变形行为

800 ℃下拉伸变形合金断口侧面显微组织如图7所示。纯温度场拉伸合金晶界较为平直(图7a),合金未发生动态再结晶。耦合场拉伸合金晶界锯齿化(图7b),有少量再结晶晶粒沿晶界形核。随着拉伸变形应变量增加,合金中位错密度增大。耦合场拉伸变形,促进合金发生动态再结晶,合金发生软化,进而变形抗力降低。

图7

图7   GH4169合金800 ℃耦合场下拉伸变形断口侧面组织的SEM像

Fig.7   SEM images of cross-section near fracture surface in GH4169 alloy tensile deformed at 800 ℃ with/without multi-field coupling

(a) non-EPC (b) 40 Hz-EPC


纯温度场拉伸变形合金断口为典型冰糖花样(图3c),合金主要以沿晶形式断裂。耦合场拉伸中,合金晶界协调塑性变形能力增强,断口呈准韧窝形貌特征(图3d)。纯温度场拉伸变形,以晶内滑移、孪生和晶界滑动为主要变形方式。高温下晶界结合力降低,晶界为薄弱区域。晶粒内位错缠结,导致晶界应力集中,裂纹优先在晶界萌生并沿晶界扩展。耦合场拉伸下,漂移电子促进位错运动,降低位错缠结程度,晶界应力集中程度降低。纯温度场拉伸变形样品,应变量为12%时(图8a)以及合金断裂后(图7a),晶界均无析出相。耦合场拉伸变形样品,应变量为12%时,合金晶界即析出少量不连续分布颗粒状δ相(图8b),随变形量增加至合金断裂,δ相体积分数略有增大(图7b)。由此可见,脉冲电流促进Nb原子扩散,Nb原子偏聚于晶界形成δ[14,27]。与纯温度场拉伸变形相比,耦合场拉伸诱导晶界析出δ相,在晶界区域分布的Ni原子的质量比增大。由于Ni原子间结合力强于Ni原子和Nb原子间的结合力,晶界的结合力增强。同时颗粒状δ相钉扎晶界亦强化晶界。因此微裂纹难以在晶界萌生、扩展。晶界发生塑性变形形成内颈缩至断裂,进而形成准韧窝特征形貌。换言之,耦合场拉伸促进合金晶界协调塑性变形能力增强。

图8

图8   GH4169合金在800 ℃耦合场下拉伸变形至12%时δ相形貌

Fig.8   Morphologies of δ phase in GH4169 alloy tensile deformed at 800 ℃ with 12% strain with/without multi-field coupling

(a) non-EPC (b) 40 Hz-EPC


基于上述分析,耦合场拉伸与纯温度场条件相比,GH4169合金拉伸变形抗力显著降低、延伸率增大,合金协调塑性变形能力增强。脉冲电流诱导原子振动加剧、晶格Peierls力降低使合金变形抗力降低。同时,GH4169合金的合金化程度高,高温拉伸变形伴随复杂的组织演化,亦为影响合金变形抗力。耦合场作用下位错可动性增强,与纯温度场拉伸变形相比,临界切变应力下降,进而合金变形抗力降低。随着变形量增加,在耦合场作用下γ"相迅速粗化,γ"相尺寸超过位错切过的临界尺寸时,位错以绕过γ"相为主要运动方式。与纯温度场拉伸变形相比,γ"相尺寸增大,变形抗力降低。耦合场作用下,Nb原子扩散加剧,在晶界偏聚析出δ[14,27],引发晶界Ni原子质量分数增大,由于Ni原子间结合力高于Ni-Nb原子间结合力,晶界协调塑性变形能力增强。颗粒状δ相钉扎晶界,晶界强度增加。综上,耦合场作用下合金变形抗力降低,合金塑性变形能力增强。

2.3 GH4169合金耦合场时效的强韧化

2.3.1 耦合场时效处理GH4169合金拉伸性能

GH4169合金750 ℃下常规时效及耦合场时效处理20 min后,750 ℃下高温拉伸变形应力-应变曲线如图9所示。与常规时效处理相比,750 ℃耦合场时效处理后合金抗拉强度增加、延伸率增大。

图9

图9   750 ℃常规时效及耦合场时效处理20 min后GH4169合金750 ℃高温拉伸变形应力-应变曲线

Fig.9   Tensile stress-strain curves of GH4169 alloy deformed at 750 ℃ after aged with/without multi-field coupling for 20 min


GH4169合金800 ℃下常规时效及耦合场时效处理5、10和20 min后,800 ℃下高温拉伸变形应力-应变曲线如图10所示。相同时效时间,与常规时效相比,耦合场时效处理后合金抗拉强度增加、延伸率增大。800 ℃耦合场时效处理后合金表现为强度增加、塑性增强,同时实现了GH4169合金强韧化。

图10

图10   800 ℃常规时效及耦合场时效处理不同时间后GH4169合金800 ℃拉伸变形应力-应变曲线

Fig.10   Tensile stress-strain curves of GH4169 alloy deformed at 800 ℃ after aged with/without multi-field coupling for 5 min (a), 10 min (b) and 20 min (c)


与常规时效处理对比,耦合场时效处理合金高温强度和塑性同时提高。材料性能与材料的组织特征有着密切的关系,析出相特征(包括尺寸、形貌、分布和体积分数等)影响合金拉伸性能。高温下拉伸变形,晶界强度亦是影响合金高温强度的重要因素之一。下面以800 ℃时效处理20 min后800 ℃下高温拉伸为例,详细分析耦合场时效合金强韧化机理。

2.3.2 高温拉伸变形中析出数纳米级新γ"相对强韧性的影响

GH4169合金800 ℃时效处理后800 ℃高温拉伸变形至合金变形量为5%时,合金显微组织如图11所示。常规时效处理,除时效过程合金中析出的γ"相,合金高温拉伸变形过程中未发现新的析出相(图11a)。而800 ℃耦合场时效处理(脉冲电流频率为10 Hz),除时效过程中析出的γ"相,合金在高温拉伸变形过程中未发现新的析出相(图11b)。然而,脉冲电流频率增大至40 Hz时,除时效过程中析出的γ"相,合金在高温拉伸变形过程中析出大量均匀弥散分布的数纳米级新相,如图11c所示。通过TEM和STEM-HAADF确定高温变形过程中合金中析出的数纳米级新相亦为γ"相,如图12所示。合金高温变形至5%进行TEM组织观察,变形时间较短,因此数纳米级新γ"相尺寸十分细小。图13中所示为800 ℃耦合场时效处理合金高温拉伸变形至断裂后的断口侧面显微组织。与5%变形量时相比,随变形量增大,常规时效处理合金高温拉伸变形至断裂,时效过程中析出的γ"相尺寸增大,合金中无新相析出。800 ℃耦合场时效处理(脉冲电流频率为10 Hz),高温拉伸变形至断裂,合金中析出数纳米级新γ"相(图13b),平均尺寸约为5 nm。脉冲电流频率增大至40 Hz时,高温拉伸变形至断裂合金中数纳米级新γ"相尺寸增大(图13c),平均尺寸约为21 nm。

图11

图11   800 ℃常规时效及耦合场时效处理20 min后GH4169合金800 ℃拉伸变形5%时显微组织的TEM像

Fig.11   TEM images of microstructures in GH4169 alloy deformed at 800 ℃ with 5% strain after aged with/without multi-field coupling for 20 min

(a) non-electric pulse treatment (EPT) (b) 10 Hz-EPT (c) 40 Hz-EPT


图12

图12   800 ℃耦合场时效处理20 min后GH4169合金在800 ℃拉伸变形5%时数纳米级γ"相形貌

Fig.12   Morphologies of ultrafine nm-sized γ" phase in GH4169 alloy deformed at 800 ℃ with 5% strain after aged with multi-field coupling (40 Hz-EPT) at 800 ℃ for 20 min

(a) TEM image taken along <110> (Inset shows the SAED pattern)

(b) high-angle annular-dark-field (HAADF) STEM image of ultrafine nm-sized γ" phase


图13

图13   800 ℃耦合场时效处理20 min后GH4169合金800 ℃拉伸断口侧面显微组织的TEM像

Fig.13   TEM images of cross-section near tensile fracture surface in GH4169 alloy deformed at 800 ℃ after aged with/without multi-field coupling for 20 min

(a) non-EPT (b) 10 Hz-EPT (c) 40 Hz-EPT


与常规时效相比,耦合场时效处理诱导合金中形成大量缺陷,包括单空位和空位团簇[28]。因此,拉伸变形初期空位强化机制促使合金屈服强度增加。与此同时,高温拉伸变形过程中,空位促进合金中析出大量数纳米级新γ"相,合金强度增加。数纳米级新γ"相与基体共格,共格应变强化、化学有序强化以及模量硬化强化是其主要强化机制。合金中大量析出数纳米级新γ"相,位错主要以切过共格强化相强化合金。常规时效处理过程中合金析出的γ"相,在高温拉伸中长大、个数(数量)减少,位错运动以绕过γ"相运动为主,强化效果降低。

800 ℃耦合场时效处理后,GH4169合金高温拉伸变形过程中析出数纳米级新γ"相,该新γ"相与基体共格[28]。高温拉伸变形过程中位错与新γ"相发生弹性相交互作用,应变累积较少,裂纹难以在相界面萌生。与常规时效相比,800 ℃耦合场时效后,合金高温拉伸变形过程中裂纹萌生相对困难,因此合金塑性变形能力增强。

2.3.3 耦合场时效中析出的γ"相对强韧性的影响

800 ℃高温拉伸变形至合金变形量为5%时,合金中位错组态如图11所示。与常规时效相比,800 ℃耦合场时效处理后高温拉伸变形,合金中位错密度增高。800 ℃耦合场时效处理合金中部分γ"相在位错附近析出,呈链状特征形貌,高温拉伸变形过程中在位错附近分布析出的γ"相阻碍位错运动,因此位错缠结严重,进而合金变形阻力增大,有利于强化合金。另一方面,高温拉伸过程中析出的数纳米级新γ"相,均匀地强化了合金基体,使得合金整体变形抗力提高,合金得到了强化。

800 ℃时效处理过程中,合金中析出大量的γ"相,其尺寸较大,高温拉伸变形过程中位错以绕过γ"相为主要运动方式。常规时效处理后,γ"相在合金中均匀弥散分布,尺寸较小、γ"相间距较小,如图11a所示。800 ℃耦合场时效处理后,γ"相尺寸增大,γ"相间距增大,如图11b和c所示。与常规时效处理相比,800 ℃耦合场时效处理后γ"相尺寸增加、个数(数量)减少、间距增大,这有利于位错绕过析出相,从而缓解应力集中。因此,800 ℃耦合场时效处理后,合金的塑性变形能力增强。

综上分析,800 ℃耦合场时效处理诱导合金中形成大量空位,促使合金在高温拉伸变形过程中析出大量数纳米级新γ"相,是合金强度和韧性增强主要原因。800 ℃耦合场时效处理诱导的γ"相长大、γ"相间距增大,有利于位错绕过γ"相运动,合金塑性变形能力增强。即,800 ℃耦合场时效处理诱导GH4169合金形成了2套不同尺度与分布的γ"相复合特征组织,实现了合金强韧化。

3 结论

(1) 脉冲电流/温度/应力耦合作用下GH4169合金塑性变形能力增强,其原因在于高温/脉冲电流诱导原子热振动加剧,引起合金晶格Peierls力下降,成为高温拉伸变形过程中变形抗力降低的本质因素。脉冲电流/温度/应力耦合作用下位错可动性增强、位错缠结程度降低,进而位错密度降低;γ"相长大,促进合金发生动态再结晶,进而合金变形抗力降低。同时,脉冲电流/温度/应力耦合作用下合金晶界协调塑性变形能力增强。

(2) 脉冲电流/温度耦合时效后,GH4169合金高温拉伸变形时,表现出强度与韧性同时提高。这是由于耦合时效诱导合金中生成大量空位,促进高温拉伸变形过程中析出数纳米级新γ"相,新γ"相与基体高的共格应变强化效应提高了合金强度,而耦合时效析出中γ"相的粗化,增加了合金的塑性。即耦合场时效处理诱导GH4169合金形成了2套不同尺度与分布的γ"相复合特征组织,实现了合金强韧化。

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