固溶處理對熱等靜壓inonl63合金組織與性能的影響

coll525是以莫和nb為主要強化元素的固溶強化銅變形材料。它在650下具有良好的耐性、抗疲勞性能、耐候性和耐腐蝕性。在溫度范圍內，它達到了良好的強度和抗旱性。廣泛應用于航空航天和化工行業。Inconel625合金傳統鑄鍛工藝存在宏觀成分偏析和材料利用率低的缺點,粉末冶金方法可有效克服上述缺點。粉末熱等靜壓(Hotisostaticpressing,HIP)可獲得鍛件的優異性能,且材料利用率高,用于近凈成形復雜高性能零件,具有良好發展潛力。本課題組前期通過熱等靜壓Inconel625合金粉末,獲得了近全致密、組織均勻復雜零件。然而,熱等靜壓Inconel625合金粉末時,容易形成原始顆粒邊界,對性能造成不利影響。張義文等人對熱等靜壓鎳基高溫合金采用高溫固溶處理,可消除原始顆粒邊界,改善持久性能。王敬忠等人對G3鎳基合金固溶處理,隨著固溶處理溫度升高,晶粒尺寸逐漸增大,當固溶溫度超過1150℃時,晶粒有快速長大的傾向。AppaRaoG等人對熱等靜壓Inconel718合金進行高溫固溶處理,使得MC型碳化物溶解破壞原始顆粒邊界,強化粒子間鍵合,改進合金塑性和持久性能。但國內外對Inconel625合金熱等靜壓和固溶處理研究較少。郭巖等人對Inconel625合金在760℃實施時效處理,顯著改善了合金強度,但塑性卻顯著下降。為此,本研究設計多組固溶處理工藝,研究固溶處理對熱等靜壓Inconel625合金組織與拉伸性能的影響規律,探索合理后處理工藝,以改善熱等靜壓Inconel625合金性能。1熱等靜壓壓制試驗試驗采用氬氣霧化Inconel625合金粉末,化學成分如表1所示。粉末呈規則球狀,如圖1所示,粉末平均粒度為25μm左右。首先,將粉末裝入直徑15mm、高90mm、壁厚2mm的45鋼圓筒包套中,經振實初裝密度達67%;然后,經650℃加熱抽真空至1×10-3Pa,采用氬弧焊封焊包套;最后,采用美國ABB公司QIH-15型熱等靜壓設備對包套實施壓制,工藝參數為1200℃×120MPa×3h,如圖2所示。采用電火花線切割將熱等靜壓致密Inconel625合金制件切割成截面2mm×5mm、標距25mm的拉伸試樣。表面打磨拋光后按表2所示工藝實施固溶處理。采用荷蘭FEI公司Quanta200型電子顯微鏡(SEM)觀測微觀組織,應用能譜分析儀(EDS)分析組織成分,由布氏硬度計測量硬度。采用Zwick/RoellZ010型試驗機進行室溫拉伸試驗,拉伸速率2mm/min,由電鏡表征斷口形貌。2試驗結果與分析2.1固溶溫度對表面碳化物晶體結構的影響HIP致密Inconel625合金中容易形成原始顆粒邊界(Priorparticleboundary,PPB)。圖3(a)為HIP致密Inconel625合金微觀形貌,存在大量不同尺度的鏈狀和塊狀顆粒物,其中,鏈狀顆粒物即組成PPB。一般來說,PPB主要由碳化物、大尺寸δ相和少量氧化物或碳氧化物組成,各相具體含量與粉末制備工藝和合金成分有關。碳化物主要在熱等靜壓冷卻過程中形成,尺寸為0.5～2μm。熱等靜壓采用爐冷,1000～700℃停留時間較長,正好是各類碳化物析出的敏感溫度。這相當于短期的時效處理,導致碳化物的析出。圖3(b～g)為HIP致密Inconel625合金經過不同溫度固溶處理后的微觀形貌。與HIP態相比,碳化物數量顯著減少,同時PPB有消退的趨勢。隨著固溶溫度的逐漸升高,PPB上鏈狀碳化物尺寸逐漸變小,并出現碳化物聚集現象(圖3(d));當固溶溫度達到1100℃和1150℃時,PPB開始退化(圖3(e,f));到1200℃時,已無明顯的PPB,出現少量尺寸較大的條狀碳化物(圖3(g))。這是由于固溶溫度的增加導致原子活動能量升高,合金元素擴散阻力減小,因此,碳化物更易溶解;但另一方面,溫度的升高導致少量碳化物長大。圖4為固溶溫度對HIP致密Inconel625合金性能的影響?？梢钥闯?隨固溶溫度的升高,硬度逐漸下降(圖4(a)),這是由于溫度的升高導致碳化物溶解數量增多,平均晶粒尺寸略微長大,合金抵抗變形和破壞的能力下降,即硬度降低。溫度過高時(如1200℃),少量碳化物長大,導致硬度急劇下降至214HBS。當固溶溫度在950～1150℃范圍時,隨著溫度的升高,抗拉強度出現小幅波動,屈服強度呈總體下降趨勢,伸長率先升后降;固溶溫度超過1100℃時,屈服強度和伸長率出現明顯下降。當固溶溫度為1100℃時,強度與原始態相比沒有明顯降低,伸長率達到最大值(32.8%),提高了25.8%。隨固溶溫度的升高,HIP致密Inconel625合金內的碳化物溶解量逐漸增加,導致強度降低但塑性升高。但固溶溫度過高時(如1200℃),部分碳化物長大,且存在過燒組織,導致強度和塑性同時顯著降低。綜合各項性能指標,最優固溶溫度為1100℃。2.2保溫時間對碳化物在碳氫材料中的位置的影響圖5為HIP致密Inconel625合金1100℃固溶保溫不同時間后的微觀形貌?？梢钥闯?隨固溶保溫時間的延長,碳化物溶解量不斷增大,殘留碳化物數量減少,PPB逐漸消失;另外,碳化物的形狀和尺寸也有所變化。固溶保溫時間較短時(見圖5(b,c)),碳化物為尺寸較大的塊狀;隨著保溫時間的加長,碳化物演變為均勻尺度的球狀(見圖5(d));進一步增加保溫時間(圖5(e,f)),出現碳化物聚集及少量條狀碳化物。圖6為HIP致密Inconel625合金1100℃固溶保溫不同時間后的性能。可以看出,隨保溫時間延長,硬度變化不大,略有下降,在230～240HBS之間,高于Inconel625合金冷熱軋等傳統加工下的硬度值(150～220HBS)。抗拉強度和屈服強度呈先升后降的趨勢,保溫時間為20～30min時,達到最大,與原始HIP態相當。伸長率隨保溫時間的增加逐漸增大,在20～30min時,增幅最大,30min后上升趨向緩和,保溫50min時伸長率達最大34.6%,對比原始HIP態提升超30%。保溫時間較短時(如10min),碳化物未充分溶解,部分碳化物反而長大,導致強度下降。隨著保溫時間的增加(如30min),碳化物數量減少,以球狀均勻分布,導致強度增加,且大幅提升伸長率。進一步增加保溫時間(如40～50min),大部分碳化物溶解,部分碳化物發生聚集和轉變,導致抗拉強度明顯下降,但伸長率上升趨向緩和。綜合各項性能參數,最佳固溶保溫時間為30min。綜上所述,截面尺寸2mm×5mm,長度90mm的HIP態Inconel625制件,最佳固溶處理工藝為1100℃×30min,水冷。2.3拉伸斷面韌窩的顯微缺陷圖7為原始HIP態和1100℃×30min,水冷固溶處理后,HIP致密Inconel625合金室溫拉伸斷口微觀形貌?？梢钥闯?原始HIP態拉伸斷面的韌窩數量較少,在較大韌窩底部存在夾雜物。夾雜物是顯微空洞成核的位置,在拉力作用下,大量的塑性變形使脆性夾雜物斷裂或使夾雜物與基體晶界脫開而形成空洞,此空洞一經形成,即開始長大、聚集,進而形成裂紋?？梢?夾雜物促使裂紋萌生和擴展,嚴重影響制件塑性。經優化的固溶處理后,拉伸斷面韌窩數量增多,尺度較原始HIP態減小,且無明顯夾雜物。斷裂僅能沿著原子鍵合力薄弱表面進行,呈韌性斷裂特征,在宏觀上表現出更優的塑性。3固溶過程和保溫時間對碳化物硬度和強度的影響1)固溶處理可以有效消除HIP致密Inconel625合金中的PPB,改善和優化其微觀組織與宏觀力學特性。2)隨著固溶溫度的升高,碳化物溶解更充分,硬度和強度沒有明顯下降,但塑性較原始HIP態明顯改善;1100℃時塑性最優,但固溶溫度過高時(如1200℃),由于部分碳化物長大,且存在過燒組織,導致硬度、強度和塑性均發生劇烈下降。3)隨著固溶保溫時間