固溶处理对热等静压inonl63合金组织与性能的影响

固溶处理对热等静压inonl63合金组织与性能的影响

coll525是以莫和nb为主要强化元素的固溶强化铜变形材料。它在650下具有良好的耐性、抗疲劳性能、耐候性和耐腐蚀性。在温度范围内，它达到了良好的强度和抗旱性。广泛应用于航空航天和化工行业。Inconel625合金传统铸锻工艺存在宏观成分偏析和材料利用率低的缺点,粉末冶金方法可有效克服上述缺点。粉末热等静压(Hotisostaticpressing,HIP)可获得锻件的优异性能,且材料利用率高,用于近净成形复杂高性能零件,具有良好发展潜力。本课题组前期通过热等静压Inconel625合金粉末,获得了近全致密、组织均匀复杂零件。然而,热等静压Inconel625合金粉末时,容易形成原始颗粒边界,对性能造成不利影响。张义文等人对热等静压镍基高温合金采用高温固溶处理,可消除原始颗粒边界,改善持久性能。王敬忠等人对G3镍基合金固溶处理,随着固溶处理温度升高,晶粒尺寸逐渐增大,当固溶温度超过1150℃时,晶粒有快速长大的倾向。AppaRaoG等人对热等静压Inconel718合金进行高温固溶处理,使得MC型碳化物溶解破坏原始颗粒边界,强化粒子间键合,改进合金塑性和持久性能。但国内外对Inconel625合金热等静压和固溶处理研究较少。郭岩等人对Inconel625合金在760℃实施时效处理,显著改善了合金强度,但塑性却显著下降。为此,本研究设计多组固溶处理工艺,研究固溶处理对热等静压Inconel625合金组织与拉伸性能的影响规律,探索合理后处理工艺,以改善热等静压Inconel625合金性能。1热等静压压制试验试验采用氩气雾化Inconel625合金粉末,化学成分如表1所示。粉末呈规则球状,如图1所示,粉末平均粒度为25μm左右。首先,将粉末装入直径15mm、高90mm、壁厚2mm的45钢圆筒包套中,经振实初装密度达67%;然后,经650℃加热抽真空至1×10-3Pa,采用氩弧焊封焊包套;最后,采用美国ABB公司QIH-15型热等静压设备对包套实施压制,工艺参数为1200℃×120MPa×3h,如图2所示。采用电火花线切割将热等静压致密Inconel625合金制件切割成截面2mm×5mm、标距25mm的拉伸试样。表面打磨抛光后按表2所示工艺实施固溶处理。采用荷兰FEI公司Quanta200型电子显微镜(SEM)观测微观组织,应用能谱分析仪(EDS)分析组织成分,由布氏硬度计测量硬度。采用Zwick/RoellZ010型试验机进行室温拉伸试验,拉伸速率2mm/min,由电镜表征断口形貌。2试验结果与分析2.1固溶温度对表面碳化物晶体结构的影响HIP致密Inconel625合金中容易形成原始颗粒边界(Priorparticleboundary,PPB)。图3(a)为HIP致密Inconel625合金微观形貌,存在大量不同尺度的链状和块状颗粒物,其中,链状颗粒物即组成PPB。一般来说,PPB主要由碳化物、大尺寸δ相和少量氧化物或碳氧化物组成,各相具体含量与粉末制备工艺和合金成分有关。碳化物主要在热等静压冷却过程中形成,尺寸为0.5～2μm。热等静压采用炉冷,1000～700℃停留时间较长,正好是各类碳化物析出的敏感温度。这相当于短期的时效处理,导致碳化物的析出。图3(b～g)为HIP致密Inconel625合金经过不同温度固溶处理后的微观形貌。与HIP态相比,碳化物数量显著减少,同时PPB有消退的趋势。随着固溶温度的逐渐升高,PPB上链状碳化物尺寸逐渐变小,并出现碳化物聚集现象(图3(d));当固溶温度达到1100℃和1150℃时,PPB开始退化(图3(e,f));到1200℃时,已无明显的PPB,出现少量尺寸较大的条状碳化物(图3(g))。这是由于固溶温度的增加导致原子活动能量升高,合金元素扩散阻力减小,因此,碳化物更易溶解;但另一方面,温度的升高导致少量碳化物长大。图4为固溶温度对HIP致密Inconel625合金性能的影响。可以看出,随固溶温度的升高,硬度逐渐下降(图4(a)),这是由于温度的升高导致碳化物溶解数量增多,平均晶粒尺寸略微长大,合金抵抗变形和破坏的能力下降,即硬度降低。温度过高时(如1200℃),少量碳化物长大,导致硬度急剧下降至214HBS。当固溶温度在950～1150℃范围时,随着温度的升高,抗拉强度出现小幅波动,屈服强度呈总体下降趋势,伸长率先升后降;固溶温度超过1100℃时,屈服强度和伸长率出现明显下降。当固溶温度为1100℃时,强度与原始态相比没有明显降低,伸长率达到最大值(32.8%),提高了25.8%。随固溶温度的升高,HIP致密Inconel625合金内的碳化物溶解量逐渐增加,导致强度降低但塑性升高。但固溶温度过高时(如1200℃),部分碳化物长大,且存在过烧组织,导致强度和塑性同时显著降低。综合各项性能指标,最优固溶温度为1100℃。2.2保温时间对碳化物在碳氢材料中的位置的影响图5为HIP致密Inconel625合金1100℃固溶保温不同时间后的微观形貌。可以看出,随固溶保温时间的延长,碳化物溶解量不断增大,残留碳化物数量减少,PPB逐渐消失;另外,碳化物的形状和尺寸也有所变化。固溶保温时间较短时(见图5(b,c)),碳化物为尺寸较大的块状;随着保温时间的加长,碳化物演变为均匀尺度的球状(见图5(d));进一步增加保温时间(图5(e,f)),出现碳化物聚集及少量条状碳化物。图6为HIP致密Inconel625合金1100℃固溶保温不同时间后的性能。可以看出,随保温时间延长,硬度变化不大,略有下降,在230～240HBS之间,高于Inconel625合金冷热轧等传统加工下的硬度值(150～220HBS)。抗拉强度和屈服强度呈先升后降的趋势,保温时间为20～30min时,达到最大,与原始HIP态相当。伸长率随保温时间的增加逐渐增大,在20～30min时,增幅最大,30min后上升趋向缓和,保温50min时伸长率达最大34.6%,对比原始HIP态提升超30%。保温时间较短时(如10min),碳化物未充分溶解,部分碳化物反而长大,导致强度下降。随着保温时间的增加(如30min),碳化物数量减少,以球状均匀分布,导致强度增加,且大幅提升伸长率。进一步增加保温时间(如40～50min),大部分碳化物溶解,部分碳化物发生聚集和转变,导致抗拉强度明显下降,但伸长率上升趋向缓和。综合各项性能参数,最佳固溶保温时间为30min。综上所述,截面尺寸2mm×5mm,长度90mm的HIP态Inconel625制件,最佳固溶处理工艺为1100℃×30min,水冷。2.3拉伸断面韧窝的显微缺陷图7为原始HIP态和1100℃×30min,水冷固溶处理后,HIP致密Inconel625合金室温拉伸断口微观形貌。可以看出,原始HIP态拉伸断面的韧窝数量较少,在较大韧窝底部存在夹杂物。夹杂物是显微空洞成核的位置,在拉力作用下,大量的塑性变形使脆性夹杂物断裂或使夹杂物与基体晶界脱开而形成空洞,此空洞一经形成,即开始长大、聚集,进而形成裂纹。可见,夹杂物促使裂纹萌生和扩展,严重影响制件塑性。经优化的固溶处理后,拉伸断面韧窝数量增多,尺度较原始HIP态减小,且无明显夹杂物。断裂仅能沿着原子键合力薄弱表面进行,呈韧性断裂特征,在宏观上表现出更优的塑性。3固溶过程和保温时间对碳化物硬度和强度的影响1)固溶处理可以有效消除HIP致密Inconel625合金中的PPB,改善和优化其微观组织与宏观力学特性。2)随着固溶温度的升高,碳化物溶解更充分,硬度和强度没有明显下降,但塑性较原始HIP态明显改善;1100℃时塑性最优,但固溶温度过高时(如1200℃),由于部分碳化物长大,且存在过烧组织,导致硬度、强度和塑性均发生剧烈下降。3)随着固溶保温时间