Inconel 718镍基合金的超塑性能
随着超塑性研究的日趋深入，许多材料的超塑性性能正被逐步发现和重新认识。与铝、钛合金相比，镍基高温合金Inconel718的超塑性的研究及应用较晚。到目前为止,国内外有关Inconel718超塑性研究的报导仍较少。
超塑性变形机制是超塑性研究的核心内容,它不但可以揭示超塑性的本质,而且可以为制备超塑性合金提供理论依据。但由于超塑性变形的复杂性,至今尚无能够完善解释所有超塑性合金变形行为的理论。本文对Inconel718合金的超塑性成形规律、力学行为和显微组织变化进行了详细研究,进而探讨其超塑性变形机制。
1材料与试验方法
实验材料选用Inconel718合金热轧棒材,化学成分w(%)为:Ni50.0,Cr17.0,Nb5.0,Mo2.8,Ti1.0,Fe余量。榉材经过“热变形+δ相析出处理+再结晶处理”细化处理后，在恒定温度,不同初始应变速率和恒定初始应变速率,不同变形温度两种条件下,进行拉伸试验。
对不同试验条件下断裂后的试样进行显微组织观察,用截线法测定奥氏体晶粒尺寸。用扫描电镜观察δ相的分布及空洞形貌。同时使用H-800型透射电镜观察拉伸试样位错组态的变化。
2试验结果
2.1Inconel718合金的超塑性力学行为
图1a)为变形温度T=1000℃时流动应力σ及延伸率δ与应变速率ε的关系曲线。从中可见,随着初始应变速率ε的降低,合金的流动应力降低,延伸率增加。与高塑性材料相比,应力与应变速率关系曲线相对平直。
在初始应变速率ε=2.78X10-4s-1变形温度T=940~1020℃的条件下拉伸时,流动应力σ随变形温度T的升高而单调下降(图1b)。与此相对应,延伸率δ随变形温度的升高而不断增加980~990℃时达到峰值397%。变形温度继续升高时,延伸率δ逐渐下降。变形温度T=1020℃时,其延伸率为240%,仍显示较好的塑性。Inconel718合金在较宽变形温度范围内显示出良好的塑性,为超塑成形温度的控制和确定提供了有利条件。
2.2奥氏体晶粒尺寸
图2a)展示了变形温度T=1000℃时,晶粒尺寸与初始应变速率的关系。由图可见,奥氏.体晶粒尺寸随应变速率的降低而逐渐增加。当初始应变速率ε=1.14*10-4s-1时,奧氏体晶粒尺寸达到18.3μm。
图2b)展示了初始应变速率ε=2.67x10-4s-1时,晶粒尺寸与变形温度的关系。变形温度低于980℃时,奥氏体晶粒略微增加。当温度高于980℃时,奥氏体晶粒尺寸急剧增加。在T=1020℃试样中,晶粒尺寸达到11.1μm。
2.3δ相的尺寸与数量
图3是不同变形温度下初始应变速率e=2.67x10-4s-1时,试样断裂后显示δ相分布的SEM照片。图中δ相呈短櫸状或颗粒状,均匀分布于奥氏体中。在940~980℃温度范围内，随变形温度的升高,δ相尺寸增加。在940~960℃温度范围内,δ相数量单调增加，960℃达到峰值。温度继续提高,δ相回溶。在1020℃变形时,δ相几乎完全溶解。
图4是变形温度为1000℃时,不同初始应变速率条件下试样断裂后显示δ相分布的SEM照片。由图可知,随初始应变速率e的降低,δ相含量降低。
3讨论
超塑性变形初期,由于晶粒尺寸较小,变形温度较高,易于实现原子的短程扩散。在应力应变作用下,晶粒尺寸和等轴比略微增加，温度的升高会导致晶界软化,使晶界滑动易于进行。但过高的变形温度将导致强烈的晶间扩散。同时,由于δ相大量回溶导致晶界迁移的阻力大为降低,因此,晶粒将快速长大,从而使延伸率减小(如图1b、图2b所示)。
随着超塑性变形的进行,变形的不协调性逐渐加剧。位于滑移面上的δ相和碳化物将对位错运动产生阻碍作用。强度不太高的δ相可与基体一起变形,位错可以切过δ相。但当位错在运动中遇到强度较高的碳化物时,只能绕过并堆积在其周围,从而留下位错平面塞积群(图5)。
当位错密度升高到一定程度后,在δ相、碳化物、晶界、三角晶界附近,将产生应力集中。在晶界上析出相处产生空洞是因为高温下合金中碳化物的强度较高,当晶界滑动不会随之协调变形。同时,在一些位错密度很高的晶粒内部,位错缠结逐渐形成，致使运动位错无法穿越晶粒,不能以激发位错的方式消除或缓解晶界的应力集中。此时,动态再结晶、动态回复等软化机制已无法完全协调。于是在应力高度集中的晶界、三角晶界及碳化物附近产生空洞。空洞是晶界滑动不协调的产物,影响超塑性的发生和发展。由于变形的不均匀性,在晶界处形成大量的位错群,这些位错群产生的应力场将引起局部能量起伏。当应力场能转化成空洞的表面能后,塞积应力场消失。
由观察可知,在Inconel718合金超塑性变形中,晶界附近位错密度较高,晶内位错滑移协调机制在合金的超塑性变形后期起主导作用。含有贯通晶内的塞积位错的晶粒在产生应力集中的晶界处激发位错,这些位错在晶界上通过攀移等过程互毁。这与Gifkins的“心部-表层"机理模型极为相似。
4结论
1)合金在超塑拉伸变形过程中,随着初始应变速率ε的降低,流动应力σ降低,而材料延伸率δ升高。随变形温度的升高,流动应力σ降低,延伸率δ在980~990℃时达到最大值467%。
2)奧氏体晶粒尺寸随初始应变速率的降低和温度的升高而增加。同时,变形速率和变形温度影响δ相的分布。碳化物的存在和分布对合金的超塑变形起重要作用,它阻碍晶粒长大，使超塑性变形顺利进行。但由于对位错运动的强烈阻碍作用,导致空洞的产生和发展。
3)合金在超塑变形中,位错滑移起重要协调作用,使晶界滑动易于进行。
