金属学报, 2019, 55(9): 1211-1220 DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00121

研究论文

服役条件下镍基高温合金应力松弛微观机制

江河,, 董建新, 张麦仓, 姚志浩, 杨静

北京科技大学材料科学与工程学院 北京 100083

Stress Relaxation Mechanism for Typical Nickel-Based Superalloys Under Service Condition

JIANG He,, DONG Jianxin, ZHANG Maicang, YAO Zhihao, YANG Jing

School of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China

通讯作者: 江 河,jianghe@ustb.edu.cn,主要从事高温合金的研究

收稿日期: 2019-04-18   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.  51771016

Corresponding authors: JIANG He, Tel:(010)62332884, E-mail:jianghe@ustb.edu.cn

Received: 2019-04-18   Revised: 2019-05-11   Online: 2019-08-28

Fund supported: Supported by National Natural Science Foundation of China.  51771016

作者简介 About authors

江河,女,1988年生,博士

摘要

以4种典型镍基高温合金(GH4169、GH4169D、GH4738、GH350)为研究对象,在600~780 ℃和260~510 MPa范围内对其进行应力松弛实验,并利用FESEM和TEM对应力松弛后的样品进行组织观察分析,系统研究了典型镍基高温合金服役条件下应力松弛的微观机制。结果表明,在应力松弛实验过程中应力在开始阶段快速下降后趋于稳定;合金的松弛稳定性随着温度的升高而降低。应力松弛实验中试样的形貌不发生明显改变,而TEM分析表明应力松弛的主要微观机制是位错的运动和析出相对位错运动的阻碍。合金中析出相的种类、尺寸、形态和分布影响了析出相对位错运动阻碍作用的大小,从而决定了合金的应力松弛性能。

关键词: 高温合金 ; 应力松弛 ; 组织演变 ; 机制

Abstract

Since nickel-based superalloys are more and more used as fasteners, it is necessary to investigate the stress relaxation behavior and mechanism of nickel-based superalloy. In present work, the stress relaxation mechanism for four typical nickel-based superalloys (GH4169, GH4169D, GH4738, GH350) for fasteners under service condition was investigated. The stress relaxation tests were carried out according to GB/T 10120-2013 in the temperature range of 600~780 ℃ and initial stress range of 260~510 MPa, and the stress relaxation curves were recorded. The microstructure was studied by FESEM and TEM. The results show that the stress decreases fast in the initial stage of stress relaxation test and then trends to be steady. The stress relaxation stability decreases with increasing temperature. There is no apparent change in the microstructure after stress relaxation test. TEM observation shows that the major mechanism of stress relaxation is the movement of dislocations, and the stress relaxation properties of different alloys depend on the inhibition of dislocation movement. The species, size, shape and distribution of phases determine the ability to hinder dislocation movement and the stress relaxation property of different alloys. GH4169 alloy gets the stress relaxation property mainly by γ' phase, γ'' phase and δ phase hindering the movement of dislocations. In GH4169D alloy, both γ' phase and η phase participate in the stress relaxation process. γ' phase in GH4738 alloy can effectively impede the movement of dislocations and provide good stress relaxation property. The combined effect of γ' phase and η phase guarantees the stress relaxation stability of GH350 alloy.

Keywords: superalloy ; stress relaxation ; microstructure evolution ; mechanism

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本文引用格式

江河, 董建新, 张麦仓, 姚志浩, 杨静. 服役条件下镍基高温合金应力松弛微观机制. 金属学报[J], 2019, 55(9): 1211-1220 DOI:10.11900/0412.1961.2019.00121

JIANG He, DONG Jianxin, ZHANG Maicang, YAO Zhihao, YANG Jing. Stress Relaxation Mechanism for Typical Nickel-Based Superalloys Under Service Condition. Acta Metallurgica Sinica[J], 2019, 55(9): 1211-1220 DOI:10.11900/0412.1961.2019.00121

随着高温合金在航空航天和工业燃气轮机等领域的广泛应用,各类高温合金紧固件(螺栓、螺母、螺钉等)大量投入使用[1,2]。在紧固件的使用过程中,连接的松动甚至松脱会影响发动机、燃气轮机的正常运转,甚至会导致灾难性事故的发生。紧固件失效时会发生松动甚至断裂,其断裂的主要原因是因蠕变导致了局部的应力集中,而应力松弛是紧固件松脱的主要原因。显然两者在宏观行为和微观机制上存在很大的差异,但因服役过程中应力状态较为复杂,且高温合金的应力松弛行为缺少系统性研究,所以紧固件的松弛和蠕变行为常常易被混淆。

对于紧固件用高温合金材料,松弛性能比持久性能更能反映材料的使用性能。实际服役过程中使用环境的多变性、松弛机制的多样性使紧固件的松弛问题更加复杂。因此,为提高紧固件的品质、保证其安全服役,急需对紧固件用高温合金的松弛行为进行探究。应力松弛是在一定的温度和初应力下使材料产生一定的应变,实验过程中保持材料的温度和总应变不变,而应力随着时间的推移逐渐降低的力学行为,其本质是在温度和时间的作用下材料内部的弹性应变逐渐转化为塑性应变的过程[3]。因此,可将应力松弛过程看成是应力不断减小的蠕变过程,也被称作“多级蠕变”[4,5]。典型的应力松弛实验样品和应力松弛曲线如图1所示。应力松弛曲线可以分为2个阶段:应力随时间快速下降的第一阶段,以及应力缓慢下降并最终趋于稳定的第二阶段。值得一提的是,松弛行为的研究与蠕变又有明显的区别。首先,是控制条件的不同,蠕变是恒温、恒应力的过程,而松弛是恒温、恒应变的过程;其次,松弛行为的研究中所加载的应力一般低于合金的屈服强度。在如此低的应力作用下,松弛实验后试样的外观形状不发生明显的变化。与此同时,在小应力的作用下材料内部的组织变化情况显然会与蠕变实验存在明显的不同。正因为松弛过程中材料的宏观尺寸变化极不明显,因此在实际应用过程中紧固件的松脱行为也不易被察觉。

图1

图1   应力松弛实验样品和典型应力松弛曲线

Fig.1   Specimen for stress relaxation test (a) and typical stress relaxation curve (b) (σ—stress, σ0—initial stress, σ'0—threshold stress to divide first and second stage, σr—stress relaxation limit, t—time. In stage I, the stress decreases rapidly. The stress decreases more and more slowly to a stable value in stage II)


一般来说,应力松弛行为与温度、初应力、初应变、组织变化等因素密切相关[6]。应力松弛的实验方法最早于20世纪80年代被引入,用于研究奥氏体合金中碳氮化物的应变诱发析出行为[7]。此后,该方法被广泛用于钢和其它合金中的析出动力学问题、回复和再结晶等行为[8]。在高温合金应力松弛行为的研究中,早期的研究主要倾向于采用应力松弛实验去研究合金中的相析出行为[9]、残余应力变化[10,11]和寿命评估[12]等工作。Monajati等[9]采用应力松弛技术研究了Udimet 720合金中γ'相的应变诱发析出行为。Calvo等[13]借助于应力松弛实验研究了Inconel 718合金中γ'γ''δ相的析出动力学特征。Foss等[14]在RR1000合金喷丸处理后残余应力的研究中也借助了松弛实验。在应力松弛行为的研究方面,朱智等[15]构建了Hastelloy C-276合金应力松弛行为的蠕变本构方程并采用有限元模拟的方式对该方程的可靠性进行了验证。近来对单晶高温合金的应力松弛行为也有一定的研究报道[16,17]。总体来看,虽然在高温合金应力松弛的研究中已有一定量的工作报道,但是大部分报道都是借用应力松弛实验研究合金中其它性能变化,对高温合金尤其是变形高温合金的应力松弛行为缺乏系统性报道,应力松弛过程中微观机制的变化更是鲜有研究。

基于以上原因,本工作选取了4种典型的紧固件用高温合金(GH4169、GH4169D、GH4738和GH350)为研究对象,通过应力松弛实验、场发射扫描电镜(FESEM)和透射电镜(TEM)组织观察等手段,对合金的应力松弛曲线特征、应力松弛过程中组织的演变规律以及应力松弛的微观机制进行系统性研究,旨在揭示高温合金在服役工况范围的应力松弛本质,以期为紧固件材料的合理选择提供理论参考。

1 实验方法

实验用GH4169、GH4169D (Inconel 718plus)、GH4738和GH350合金的化学成分如表1所示。实验用材料均经过真空感应熔炼(vacuum induction melting,VIM)加真空自耗(vacuum arc remelting,VAR)双联工艺后进行不同变形制度后得到锻件。GH4169合金的最终热处理工艺为980 ℃、1 h、空冷(AC)+720 ℃、8 h、炉冷(FC)+620 ℃、8 h、AC,GH4169D合金的最终热处理工艺为870 ℃、16 h、AC+982 ℃、1 h、AC+788 ℃、8 h、FC (56 ℃/h)+704 ℃、8 h、AC,GH4738合金的最终热处理工艺为1020 ℃、4 h、AC+845 ℃、4 h、AC+760 ℃、16 h、AC,GH350合金的最终热处理工艺为870 ℃、4 h、AC+740 ℃、4 h、AC。

表1   实验用合金化学成分

Table 1  Nominal chemical compositions of alloys used in present work (mass fraction / %)

AlloyCoCrMoTiAlNbTaWCFeNi
GH4169-19.003.001.000.505.30--0.0518.20Bal.
GH4169D8.9819.122.810.751.655.51--0.0399.50Bal.
GH473812.9019.004.422.901.45---0.04-Bal.
GH35024.7716.902.992.201.081.203.951.97<0.02-Bal.

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应力松弛实验按照GB/T 10120-2013《高温拉伸应力松弛试验方法》进行实验,实验设备为RMT-D5SC电子式高温应力松弛试验机。在实验温度对试样两端加载一定的应力使试样发生一定程度的变形,然后在保持试样形变不变的条件下应力随着时间的变化逐渐减小,实验过程中系统自动记录应力-时间曲线(如图1),对曲线进行分析处理可得到材料的应力松弛参数。根据实验用材料的设计服役条件不同,应力松弛实验在600~780 ℃范围内进行,所用的应力均低于材料在该温度下的屈服强度。在应力松弛行为的描述中有几个重要的参数(图1),实验开始时加载的应力为初应力(σ0),松弛曲线最终趋于稳态的应力为松弛极限(σr);根据应力松弛过程中松弛速率的变化可以将松弛分为第一阶段和第二阶段两部分,2个阶段的分界点为槛应力(σ'0)。

由于应力松弛实验后试样不发生断裂,因此实验后垂直于轴向将试样切开用于组织观察。FESEM观察用试样经过机械磨光和抛光后采用20 mL H2SO4+80 mL CH3OH混合溶液进行电解抛光,再用15 g CrO3+10 mL H2SO4+170 mL H3PO4混合溶液进行电解侵蚀。TEM样品通过机械打磨至60 μm后,在-30 ℃条件下用体积分数为5%的高氯酸酒精溶液进行电解双喷减薄。采用SUPRA55 FESEM和Tecnai G2-20 TEM进行组织观察。

2 实验结果

2.1 应力松弛曲线

为了揭示服役工况条件下的应力松弛微观机制,几种合金在设定的实验条件下其应力松弛曲线如图2所示。可以看出,应力松弛曲线具有相似的变化规律:在加载初应力σ0后,随着时间的延长应力先快速下降;随后松弛速率(应力松弛曲线的斜率)逐渐减小,最后应力松弛曲线与时间轴趋于平行,即在给定的温度和应力条件下达到了稳态,应力达到了松弛极限σr。所以应力松弛实验的一般研究范围或者紧固件的最佳应力松弛状态,是随着时间的延长应力发生小范围的下降,之后快速达到稳态,不再随时间的推移发生明显的变化。此外,温度和初应力会对合金的应力松弛行为产生影响。以GH4169合金为例,从图2a中可以看出,当初应力相同时,随着温度的升高,GH4169合金松弛曲线达到稳态时对应的应力更低,即合金的松弛极限下降。温度对几种合金应力松弛曲线的影响规律类似。此外,当实验温度相同时,随着初应力的增加,GH4169合金松弛曲线达到稳态所需的时间减少,应力在实验进行到3000 min时基本达到稳态,即在服役温度范围内适当提高初应力有利于提高GH4169合金的松弛稳定性。

图2

图2   不同合金的应力松弛曲线

Fig.2   Stress relaxation curves for different alloys (a) GH4169 and GH4169D (b) GH4738 and GH350


2.2 应力松弛实验后组织演变

应力松弛实验前后的显微组织如图3所示。可见,合金显微组织未发生明显变化。以GH4169合金为例,从图3a可以看出,GH4169合金中主要存在4种析出相,晶界上有短棒状的δ相析出并伴有少量的块状MC碳化物,基体上分布着盘片状的γ''相和球状γ'相;650 ℃、260 MPa应力松弛后显微组织未发生明显改变。GH4738合金中的主要析出相为一次γ'相和二次γ'相,700 ℃、510 MPa应力松弛实验后析出相的形态和分布(图3d)与原始组织基本一致(图3c)。GH4169D合金和GH350合金应力松弛实验后的组织也未发生明显变化。总体来看,正常服役条件范围内,应力松弛实验后合金的显微组织未发生明显的改变,这一点与蠕变实验存在明显的不同。蠕变实验一般都要测试蠕变三阶段,而其过程中在外界应力的作用下,合金的晶粒会发生明显的变形,且会产生蠕变空洞,微观组织上常会观察到γ'的定向排列、筏化等现象[18,19]

图3

图3   应力松弛实验前后合金的典型显微组织

Fig.3   Typical microstructures and local magnifications (insets) of alloys before and after stress relaxation tests

(b) GH4169 alloy after stress relaxation test at 650 ℃, 260 MPa (d) GH4738 alloy after stress relaxation test at 700 ℃, 510 MPa


3 分析讨论

3.1 主要析出相在应力松弛过程中的作用

虽然图3的显微组织观察结果表明,GH4738合金应力松弛实验后γ'相的尺寸和形貌未发生明显变化,但是TEM组织观察结果表明,合金中存在析出相与位错间的相互作用,如图4所示。应力松弛过程中在γ'相附近出现了位错的聚集,位错以滑移或者攀移的方式运动,大尺寸γ'相的存在明显阻碍了位错的运动(图4a),可以观察到有位错被γ'相钉扎(图4b)。在Cu-Be合金的应力松弛行为研究[20]中就曾指出,材料中存在大量的位错和空位,在温度和应力作用下位错发生运动,随着时间延长,可移动位错密度降低,从而使应力松弛状态逐渐趋于稳定。因此,γ'相对位错的阻碍作用有利于材料内部的微观组织达到平衡,从而使应力松弛达到稳定状态。当实验温度升高至700 ℃时(图4c),γ'相颗粒内部出现了板条状的层错,γ'相颗粒也发生了轻微的变形,在变形程度较大的颗粒周围存在明显的畸变应力场,表明合金中发生了塑性变形。GH4738合金应力松弛的主要微观机制是γ'相与位错的交互作用。此外,在应力松弛过程中大量位错的运动会导致位错的增殖和缠结,形成胞状组织,继而形成亚晶,如图4d所示。

图4

图4   GH4738合金应力松弛实验后TEM明场像

Fig.4   TEM bright field images of GH4738 alloy after stress relaxation test

(a, b) interaction between γ' particles and dislocations after stress relaxation test at 600 ℃, 510 MPa (a) and 700 ℃, 510 MPa (b)

(c, d) stacking fault in γ' particles (c) and subgrain in matrix (d) after stress relaxation test at 700 ℃, 510 MPa


GH4169合金不同温度下应力松弛实验的TEM明场像如图5所示。可以看出,在600和650 ℃应力松弛实验后,γ''相依旧与基体保持着良好的共格关系,基体内部仅观察到少量的位错。γ''相作为GH4169合金中的主要强化相,为合金提供了共格应变强化作用[21],从而能够有效地阻止位错的运动,为合金的松弛性能提供了保证。随着温度的升高主要是热激活作用的增强,有助于位错克服局部的障碍而发生运动,因此随着温度的升高合金的应力松弛稳定性有所下降(图2a)。

图5

图5   GH4169合金应力松弛实验后TEM明场像

Fig.5   TEM bright field images of γ'' phase in GH4169 alloy after stress relaxation tests at 600 ℃, 380 MPa (a) and 650 ℃, 380 MPa (b)


GH4169D合金的主要强化相是γ'相和η相,700 ℃、510 MPa应力松弛实验后位错与析出相间的交互作用如图6所示。从图6a中可以看出,应力松弛实验过程中存在位错的运动,位错切过γ'相,表明GH4169D合金中γ'相的存在为位错的运动提供了阻力。此外,在η相附近也观察到了位错的塞积,如图6b所示。结合图2a中的应力松弛曲线可以看出,GH4169D合金在700 ℃、510 MPa应力松弛实验中曲线最终并未完全与横坐标趋于平行,随着实验时间的延长应力依旧有缓慢下降的趋势,即在所设定实验条件下样品并未达到理想的“稳态”。主要是因为温度稍高于材料的设计使用温度时,会累积较大的塑性变形,使材料的松弛稳定性能有所下降。

图6

图6   GH4169D合金在700 ℃、510 MPa应力松弛实验后的TEM明场像

Fig.6   TEM bright field images of GH4169D alloy after stress relaxation test at 700 ℃, 510 MPa

(a) interaction between γ' particles and dislocation (b) dislocation pile-up around η phase


GH350合金依靠γ'η相强化,合金基体上有球状γ'相和针状η相,晶界上存在短棒状η相。在GH350合金的应力松弛过程中主要靠γ'相和η相为合金提供应力松弛性能,应力松弛实验后的TEM明场像如图7所示。松弛实验后合金中γ'相颗粒周围存在明显的应变衬度场(图7a),表明γ'相参与了合金的松弛过程。γ'相与γ基体之间较强的应变衬度场表明两者之间存在较大的错配度,从而使位错的绕过或者切过机制更加困难,对位错的运动提供了更大的阻力。晶界和晶内η相附近都可以观察到明显的位错塞积(图7b和c),η相的存在阻碍了松弛过程中位错的运动,对合金的应力松弛有一定的贡献。此外,在合金基体内部还可以观察到明显的变形带(图7d),这是塑性变形的显著特征,表明在松弛过程中合金存在一定程度的塑性变形。GH350合金中γ'相和η相对位错的阻碍作用,为该合金提供了良好的松弛稳定性能。

图7

图7   GH350合金应力松弛实验后TEM明场像

Fig.7   TEM bright field images of GH350 alloy after stress relaxation tests at 600 ℃, 510 MPa (a, b) and 700 ℃, 510 MPa (c, d)

(a) strain contrast field around γ' particles (b) dislocation pile-up around grain boundary η phase

(c) interface dislocation of intragranular η phase (d) deformation band in matrix


通过以上分析可以看出,虽然服役条件下的应力松弛实验后合金中析出相的形貌和分布未发生明显改变,但在松弛过程中主要发生了析出相与位错的交互作用。高温合金中的主要析出相,如γ'相、η相、δ相等在松弛过程中可以起到钉扎位错的作用,位错与析出相之间的交互作用主要表现为切割或绕过。松弛性能的优劣主要取决于析出相对位错的钉扎作用,随着温度的升高,位错的运动加剧,因此合金的松弛性能下降。在松弛的过程中合金发生了一定程度的塑性变形,但是变形程度较低。

3.2 初应力对应力松弛行为的影响机制

图2a的分析可知,适当地提高初应力有利于提高合金的应力松弛稳定性。GH4169合金在650 ℃不同初应力作用下,应力松弛实验后的TEM明场像如图8所示。可以看出,在不同应力作用下γ''相的形貌保持稳定,γ''相颗粒与γ基体之间保持着良好的共格关系。650 ℃下良好的组织稳定性为GH4169合金的松弛稳定性提供了保障。此外,在GH4169合金应力松弛过程中δ相起到了重要作用。当初应力为510 MPa时,在δ相周围可以观察到明显的位错塞积(图8d)。随着初应力的升高,一方面,位错运动的驱动力增加;另一方面,伴随着短时间内位错的增殖,合金也发生了一定程度的加工硬化,使位错运动的阻力增加。因此,在服役温度范围内适当提高初应力,若组织对位错的阻碍作用足以平衡位错运动驱动力增加所带来的影响,则合金可以在较短的时间达到平衡,从而松弛稳定性能有所增加。

图8

图8   GH4169合金在650 ℃不同初应力条件下应力松弛实验后TEM明场像

Fig.8   TEM bright field images of GH4169 alloy after stress relaxation test at 650 ℃ with different initial stresses

(a) 260 MPa (b) 380 MPa (c, d) 510 MPa


3.3 应力松弛的机制

在金属的流变曲线中,应力状态随着应变的增加可以分为4个阶段:第一阶段(加工硬化阶段)、第二阶段(过渡阶段)、第三阶段(软化阶段)和第四阶段(稳态阶段)。在第一阶段主要发生的是加工硬化和动态回复[22,23]。在服役范围内的应力松弛这种低应力、小应变的状态下,合金的应力状态处于第一阶段。对于高温合金等低层错能的金属,在外加应力作用下因加工硬化和动态回复会导致位错密度的增加和亚晶的形成[24,25]。TEM观察表明在松弛过程中合金中有明显的位错运动。此时,应力松弛过程主要包括2个阶段:(1) 松弛的第一阶段,位错在应力的作用下发生运动。位错的塞积、缠结会引起加工硬化,而析出相的存在可以阻碍位错的运动;(2) 第二阶段,位错的运动与阻碍作用达成平衡,应力松弛进入了稳态。应力松弛的微观机制主要是析出相特征和析出相与位错交互作用这2方面决定的。因此,高温合金服役条件下应力松弛稳定性的优劣主要取决于析出相种类、尺寸、分布等因素对位错阻碍作用的大小。升高温度会促进位错的运动,使析出相阻碍位错运动的难度增加,从而松弛稳定性随温度升高有所下降。

本工作主要讨论的是服役条件下典型高温合金应力松弛的微观机制。而在一些应力过高的应用状态下(如预紧力过高或局部有较大的应力集中),合金内部的微观机制会有明显的不同。图9为GH4169合金在650 ℃、1160 MPa (高于屈服强度)的条件下应力松弛曲线和微观特征。高应力作用下可能会发生晶界迁移、大塑性变形下的孪生、甚至析出相的内部会产生缺陷,此时的应力状态和微观机制更接近于蠕变过程。而高应力作用下应力松弛曲线的特征也发生变化,在实验初期应力快速下降,之后随着时间的延长应力继续缓慢下降,在实验时间范围内并未达到稳态。若该种应力状态持续,可能会在实际使用中造成危险,需要引起注意。当使用温度高于合金设计服役温度时,因为析出相的粗化、退化、转变等原因,也会使松弛曲线出现类似的非稳态状况。

图9

图9   GH4169合金在650 ℃、1020 MPa条件下未达到稳态的应力松弛曲线及典型显微组织的TEM明场像

Fig.9   Stress relaxation curve (a) and typical TEM bright field images showing a large amount of twins (b), grain boundary migration (c) and defects in δ phase (d) after stress relaxation test at 650 ℃, 1020 MPa


4 结论

(1) 应力松弛实验后试样的形貌和组织未发生明显的变化。在应力松弛过程中试样的应变很小,在该种条件下主要的微观机制是加工硬化和动态回复,应力松弛稳定性的高低主要取决于合金中析出相对位错运动的阻碍作用。

(2) 服役条件下高温合金应力松弛稳定性的优劣主要取决于析出相的种类、尺寸、分布等因素对位错阻碍作用的大小。应力松弛过程中,GH4169合金主要依靠γ'相、γ''相和δ相阻碍位错的运动;GH4169D合金中γ'相和η相均参与到了应力松弛过程;GH4738合金中大尺寸的γ'相为合金提供良好的抗应力松弛能力;而GH350合金依靠γ'相和η相的共同作用保持合金的松弛稳定性。

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