晶界工程處理對GH738合金耐蝕性的影響①

彭大朋， 王　玨， 蔡旋坤， 劉　琦

(南京工程學院材料工程學院，江蘇 南京　211167)

引　言

GH738合金是一種γ′相沉淀強化型鎳基高溫合金，是制造航空發動機、工業燃氣輪機渦輪盤、葉片和燃燒室等關鍵高溫部件的重要材料[1]。由于渦輪盤和渦輪葉片等部件的服役環境十分惡劣，服役過程中易發生氧化、腐蝕而導致零件失效，因此材料耐蝕性的研究和改進是GH738 合金目前的熱門研究方向之一[2]。晶界工程是通過對金屬進行適當的冷變形，隨后實施相應的熱處理工藝，以提高金屬內部特殊晶界(低ΣCLS 晶界)的比例，優化其在材料內部的分布，進而達到改善材料相關性能的目的。目前，已有國內學者研究了晶界工程處理對鎳基高溫合金(GH690合金)耐蝕性的影響[3]。

1　試驗過程

1.1　試驗材料

本試驗原材料是直徑Φ62 mm的GH738合金圓棒，初始晶粒尺寸約為80 μm。其化學成分如表1所示。

表1　試驗用材料 GH738 合金的化學成分/%

1.2　試驗方法

本試驗通過改變冷變形量和退火保溫時間來控制退火孿晶的比例及再結晶晶粒尺寸。

試樣經1080 ℃保溫60 min固溶處理后析出相γ＇相已全部回溶。利用線切割方法在圓棒中心位置切取尺寸為Φ10 mm×15 mm的圓柱。采用 CMT5105 微機控制電子萬能實驗機對試樣進行冷壓縮，工程應變為 5%，8%和 12%，下壓速率為 0.5 mm/min。具體晶界工程工藝參數控制如表2所示。退火使用碳硅棒高溫電爐，保溫溫度設定為 1100 ℃，退火保溫時間為 5，10，20 和 40 min。保溫結束后試樣空冷至室溫。

表 2　試樣壓縮制度

用于金相觀察的試樣采用標準金相制備工藝，經機械拋光后的試樣放入腐蝕液(360 mL H2O + 40 mL H2SO4+ 10 g KMnO4)中加熱至 100 ℃并煮沸約35 min，按照GB/T 6394-2002采用截線法測定晶粒尺寸。利用背散射電子衍射技術(EBSD)分析試樣的晶界取向，用于EBSD測試的試樣采用電解拋光方式，拋光液為80%甲醇+20%硫酸，電壓30 V，時間約30 s。使用電化學工作站測試各試樣的極化曲線，設備示意圖如圖1所示。起始電位為-0.6 V，終止電位為 1.4 V，掃描速率為 0.01 V/s。

圖1　極化曲線測試裝置示意圖1.輔助電極鉑片；2.參比電極；3.工作電極GH738合金試樣

2　試驗結果與討論

2.1　晶界工程處理對GH738合金微觀組織的影響

如圖2(a)～(c)所示為不同變形量的試樣經退火保溫時間10 min后的顯微組織，可以看出，隨著變形量的增大，退火晶粒尺寸在不斷增大；變形量為5%時，退火后組織大部分為細小均勻的再結晶晶粒，有少部分晶粒已經開始長大，8%工程應變下退火晶粒有明顯的長大，且長大晶粒的比例明顯增多，當變形量增加到 12%時，組織中僅存在少部分未長大的晶粒，總體來說晶粒尺寸不均勻，三種條件下的平均晶粒尺寸分別為51，76.5，113.5 μm。

圖2　相同退火時間、不同變形量下試樣的顯微組織

隨著保溫時間的延長，變形量對晶粒尺寸的影響規律保持不變，但晶粒尺寸的差距逐漸縮小，如圖2(d)～(f)所示為不同工程應變下保溫時間為40 min的顯微組織，可以看出，經5%壓縮的試樣，退火時間延長后晶粒明顯增大，保溫40 min后達到82.5 μm，而變形量為12%的試樣晶粒尺寸基本未變。

如圖3所示為變形量為 5%、不同退火保溫時間下的顯微組織，采用截線法對晶粒尺寸進行定量測量可得，保溫5，10，20，40 min的平均晶粒尺寸分別為75.5，51，69.5，82.5 μm。進一步觀察可知，保溫10 min時，大部分晶界處于彎曲狀態，晶粒的形狀不規則(如圖3(b)所示)，而當保溫時間延長至40 min時，晶界大都呈平直狀態，晶粒基本上呈六邊形(如圖3(d)所示)。由此可以推斷，由于變形量較小，材料積累的儲存能較低，保溫5 min時再結晶的比例較小，保溫10 min時再結晶開始大規模發生，因此晶粒比保溫5 min時更細小。這一點也可以從變形量為5%,8%和12%的試樣保溫5 min后的晶粒尺寸證明，三種條件下的晶粒尺寸分別為75.5，72，91 μm，即先減小后增大，表明變形量為5%的試樣在1100 ℃下保溫5 min時的再結晶比例較小。再結晶發生以后，隨保溫時間的延長，在界面能的驅動下由彎曲變得平直，再結晶晶粒長大[4]。

圖3　變形量為 5%、不同退火保溫時間下試樣的顯微組織

2.2　晶界工程處理對晶界取向的影響

如圖4所示為GH738合金不同變形、退火條件下的晶界取向圖。圖4(d)為4(c)中黑色方框區域的放大圖，能夠看到大角度晶界、孿晶界和其他低 ΣCSL 晶界。5%變形量保溫5 min時，孿晶主要存在于晶粒內部(如圖4(a)所示)，結合晶粒尺寸分析可知，再結晶未大規模發生時，變形晶粒內部保留了固溶處理形成的退火孿晶。從變形量8% 、保溫40 min 的組織看出，較多小晶粒之間的界面也符合孿晶關系，孿晶所占比例有所提高，即再結晶過程會形成大量孿晶。從孿晶形態來看，一部分孿晶穿過了整個晶粒形成穿晶型孿晶，另外一部分孿晶終止于晶粒的內部形成中止型孿晶[5]，材料經再結晶退火后還出現了由低ΣCSL界面構成的孿晶鏈。孿晶鏈的出現會破壞大角度晶界的連通性，從而改善了材料的耐蝕性[6]。

圖4　GH738合金孿晶晶界分布圖

2.3　晶界工程處理對GH738合金耐蝕性的影響

2.3.1極化曲線的分析方法

如圖5所示為本次試驗所測得的典型極化曲線，試驗變形條件為：退火保溫時間10 min、工程應變 5%，主要對合金的陽極極化曲線進行分析。圖中 A 點所對應的電流值為該試驗條件下合金的致鈍電流，A 點之后的曲線表示在通電的狀態下試樣表面開始腐蝕；隨著電位的增大，電流不斷增大，材料被腐蝕的速率在逐漸地增大。A 點后電流隨電位的增大而降低，表明試樣表面的腐蝕速率減小；A,B 之間是試樣發生極化的活化區域，氧化膜不斷地生長、破裂、自修復；在 BC 階段，試樣表面生成了均勻致密、具有一定厚度的氧化膜，此時材料進入穩定鈍化狀態，材料具有非常優異的耐蝕性，此時的電流值即為維鈍電流。一般維鈍電流越小，表明材料的耐蝕性越佳；當電位增加到 C 點時，氧化膜的承受力達到極限，過高的電位使氧化膜發生不可逆轉的破壞，保護層被擊穿，電流迅速增加，材料腐蝕加劇。A,C 兩點之間對應的電位差為材料的鈍化區間，一般鈍化區間越寬，材料耐蝕性越好。可以通過維鈍電流、致鈍電流、鈍化區間、自腐蝕電流和自腐蝕電位等參數來預測材料的性能[7]。

圖5　退火保溫時間10 min，變形量5%條件下GH738合金極化曲線

2.3.2晶粒尺寸對合金耐蝕性的影響

由于晶界是易腐蝕區域，晶粒尺寸增大即減小了晶界面積，會使材料的耐蝕性得到改善。如圖6所示為工程應變 5%、不同保溫時間下的極化曲線。不同退火時間下的極化曲線上均出現了明顯的活化區、二次鈍化和穩定鈍化區。隨著時間的增加，致鈍電流和維鈍電流不斷下降，鈍化區間和自腐蝕電位差別不明顯但自腐蝕電流不斷減小，即存在耐蝕性增強的趨勢。從組織分析(如圖3所示)可知，在相同變形量下晶粒尺寸隨著再結晶保溫時間的延長而增大，且在再結晶過程中合金內部形成了大量的孿晶，破壞了大角度晶界的連通性[6]；二者共同作用使材料的耐蝕性提高。

圖6　工程應變5%，不同保溫時間下的極化曲線

晶粒尺寸對耐蝕性的影響也可以從不同變形量的樣品經過相同保溫時間后的極化曲線數據得出。如圖7所示為退火時間10 min，不同變形量下的極化曲線，致鈍電流、維鈍電流、自腐蝕電流和鈍化區間均隨工程應變的增大而減小，自腐蝕電位隨著變形量的增大而增大，變形量為12%時，合金在此條件下的耐蝕性最佳。如圖8所示為退火時間20 min，不同變形量條件下的極化曲線，兩種變形量下電位和電流的變化較小，其中變形量5%退火保溫20 min時腐蝕性更優。說明耐蝕性隨變形量的增加而小幅提高。

圖7　退火時間10 min，不同變形量下的極化曲線

圖8　退火時間20 min，不同變形量條件下的極化曲線

退火40 min，不同變形量下的極化曲線如圖9所示，圖中腐蝕電位和電流的變化反映出合金的耐蝕性隨變形量的增大有不同程度的提高。A 曲線上出現了明顯的活化區和穩定的鈍化區間，且活化區間曲線有多次波動，B 曲線上未出現明顯的致鈍電流和較大的鈍化區間，表明 B 曲線對應的試樣在腐蝕壞境中形成的鈍化膜質量更高，且鈍化膜形成的過程更穩定。總體來說，合金的耐蝕性隨著晶粒尺寸的增大而增強。

圖9　退火時間40 min，不同變形量條件下的極化曲線

2.3.3退火孿晶對耐蝕性的影響

在再結晶過程剛完成的階段，晶粒尺寸細化，但孿晶數量大幅增加，此時二者對耐蝕性的影響正好相反。如圖10，11所示，工藝參數為變形8%、保溫5 min的試樣分別與12%/5 min和8%/10 min相比，前者晶粒尺寸比較小，而耐蝕性反而較高，這與傳統的粗晶提高耐蝕性的規律相反。由組織分析可知，此時為再結晶剛完成，孿晶數量較多，孿晶對耐蝕性的有益影響抵消了晶粒細化帶來的不利影響；此時再結晶晶粒內部的孿晶對材料的耐蝕性起到了核心作用。孿晶的主要作用包括：1)大量晶粒之間的界面為孿晶，孿晶界能量低于普通大角度晶界[8]，隨著孿晶在晶界處增加使晶界的能量降低，趨于穩定化，因此孿晶有利于材料的耐蝕性。2)晶粒內部的孿晶切割作用，阻斷大角度晶界作為腐蝕快速通道的作用。

圖10　退火時間5 min，不同工程應變下的極化曲線

圖11　工程應變8%，不同保溫時間下的極化曲線

隨著晶粒的不斷增大，耐蝕性會先下降后上升，主要是由于晶粒長大導致晶界數量降低，同時部分孿晶界轉變為普通大角度晶界[9]，失去了阻斷晶界通道的作用，形成兩個相反作用的疊加效果。而隨著保溫時間的延長，晶粒粗化作用越明顯，而大量孿晶界失去了孿晶性，變成以晶粒尺寸為主導的腐蝕特點[10]。

3　結束語

通過對GH738合金進行晶界工程處理，研究晶粒尺寸和退火孿晶對GH738合金耐蝕性的影響；采用極化曲線表征合金的耐蝕性。結果表明：

(1)GH738合金經冷壓縮和退火處理后，晶粒尺寸隨著工程應變和保溫時間的增大而增大，當工程應變為5% 時，隨著保溫時間的延長晶粒尺寸是先減小后增大，此時平均晶粒尺寸減小的原因為再結晶剛結束時的晶粒細化。

(2)在再結晶剛完成時，大量退火孿晶的形成提高了GH738合金的耐蝕性，抵消了晶粒細化帶來的不利影響。隨著退火保溫時間的延長，晶粒尺寸對GH738合金的耐蝕性的影響逐漸增大，晶粒尺寸越大，材料的耐蝕性越強。

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