單道次軋制變形對(duì)Hastelloy C-276合金晶界特征分布的影響

李建軍，張曉宇，郭勝利，吳旭彬

（1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110159；2.北華航天工業(yè)學(xué)院 材料工程學(xué)院，河北廊坊 065000；3.北京有色金屬研究總院復(fù)合材料工程中心，北京 100088）

晶界作為影響材料性能的重要因素之一，其結(jié)構(gòu)和分布一直是材料科學(xué)領(lǐng)域研究的一個(gè)重要方向。在上個(gè)世紀(jì)90年代，有人提出了“晶界設(shè)計(jì)與控制”概念[1]，繼而形成了后續(xù)的“晶界工程”這一研究領(lǐng)域。該工程主要采用形變和退火熱處理來(lái)提高材料中某些特殊結(jié)構(gòu)屬性的晶界比例，如低Σ 重位點(diǎn)陣晶界（CoinCidenCe Site LattiCe,CSL）,從而優(yōu)化晶界特征分布，達(dá)到改善材料與晶界相關(guān)的性能，如抗晶間腐蝕[2，3]、抗高溫蠕變疲勞[4，5]、抗應(yīng)力腐蝕[6，7]等。目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于諸多低層錯(cuò)能面心立方金屬材料，如鎳基合金[8，9]、鉛基合金[10，11]、銅合金[12，13]和奧氏體不銹鋼[14，15]等材料當(dāng)中，并取得一定的研究進(jìn)展。

Hastelloy C-276合金是一種含有較高Cr和Mo元素的鎳基高溫合金，由于具有良好的機(jī)械性能、優(yōu)越的耐各種腐蝕環(huán)境的能力，被廣泛應(yīng)用于石油、化工、航天和核工業(yè)當(dāng)中[16-18]。但在核電工業(yè)實(shí)際服役過(guò)程中，由于工作環(huán)境復(fù)雜，依然面臨著晶間腐蝕的問(wèn)題。為了確保核電設(shè)施安全，進(jìn)一步改善材料的耐腐蝕性能也是十分必要的。

形變和熱處理是改善晶界特征分布的重要手段，變形量作為其中關(guān)鍵工藝參數(shù)，是優(yōu)化合金晶界組織的重要目標(biāo)。本文對(duì)Hastelloy C-276合金進(jìn)行不同變形量熱處理，考察變形量對(duì)晶界特征分布的影響規(guī)律，為更好地優(yōu)化合金晶界特征分布提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用材料為Hastelloy C-276合金鍛坯線切割1mm厚薄板，其主要的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Cr：15.07，Mo：15.53，F(xiàn)e：4.14，W：4.04，Co≤2.5，Mn：0.62，P＜0.01，Si＜0.08，C：0.012，S：0.002，Ni余量。合金經(jīng)1150℃/30min固溶處理后水冷，再進(jìn)行2.5%到90%的冷軋變形，變形后在1100℃分別保溫15min水淬。

退火后的試樣經(jīng)鑲樣研磨后，在12V電壓下進(jìn)行電解拋光，電解液為80%甲醇+20%硫酸（體積比），獲得干凈表面。將制得樣品通過(guò)配有TSL-EBSD系統(tǒng)的JSM-7001 SEM進(jìn)行晶粒取向測(cè)定。對(duì)樣品表面800μm×868μm的區(qū)域進(jìn)行步長(zhǎng)為1～2μm的逐點(diǎn)掃描，收集晶體取向信息，重構(gòu)晶體取向成像顯微圖（OIM），EBSD取向差設(shè)定大于2°為存在晶界，取向差在2°～15°范圍內(nèi)為小角度晶界。采用Brandon標(biāo)準(zhǔn)判定重位點(diǎn)陣晶界類型，將ΣCSL≤29晶界統(tǒng)稱為特殊晶界。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 變形量對(duì)晶界顯微組織的影響

在晶界工程研究中，晶界特征分布一般是指材料中各種類型晶界所占比例。根據(jù)CSL模型來(lái)定義不同類型的晶界，其中將Σ≤29的晶界劃分為低ΣCSL晶界，而將此范圍外的晶界劃分為Σ＞29晶界和一般大角度晶界[19]。其中，低ΣCSL晶界一般具有較低的晶界自由能，更好的抗晶間腐蝕能力，更高的抗晶界滑移性能。正是這些特點(diǎn)使得低ΣCSL晶界優(yōu)于一般大角度晶界，而低ΣCSL晶界比例的多少將決定著材料性能是否提高。前人的大量研究表明[19]，只有通過(guò)合適的形變熱處理工藝，才會(huì)使得材料中低ΣCSL晶界比例大幅度的提高。其中合理的變形量是關(guān)鍵工藝參數(shù)之一。下面我們將討論變形量與晶界特征分布的關(guān)系。

圖1為不同變形量條件下的晶界顯微組織圖。灰色實(shí)線為孿晶晶界，即Σ3晶界，黑色實(shí)線代表大角度晶界。從圖1a、b中可以看出，該變形范圍退火組織晶粒粗大，晶粒內(nèi)存在大量平直共格孿晶晶界，平均晶粒尺寸達(dá)到了100μm以上（包含孿晶）。這是由于小變形高溫退火，晶粒組織發(fā)生回復(fù)，晶界遷移，使得晶粒尺寸增大。而隨著變形量的增加，平均晶粒尺寸開(kāi)始減小，如圖1c、d。變形量增大導(dǎo)致晶粒組織壓縮變形，同時(shí)也將形變能存儲(chǔ)于變形晶粒當(dāng)中。在隨后的熱處理過(guò)程中，隨著形變儲(chǔ)能的釋放，晶粒組織發(fā)生回復(fù)和部分再結(jié)晶，使得晶粒尺寸減小。當(dāng)變形量增加到15%時(shí)，如圖1e箭頭所指，晶粒內(nèi)部出現(xiàn)灰色細(xì)線（Σ1），即小角度晶界。說(shuō)明該退火條件下，容易出現(xiàn)不完全回復(fù)或再結(jié)晶，使得該組織明顯觀察到大量小角度晶界。而后隨著變形量的增加，晶粒組織內(nèi)部基本看不到小角度晶界的存在，表明此階段退火組織已經(jīng)完成再結(jié)晶。晶粒組織出現(xiàn)分布不均勻，主要在于變形不均勻?qū)е碌摹６冃瘟吭黾拥?0%時(shí)，如圖1k，可以晶粒均勻細(xì)化，平均晶粒尺寸達(dá)到了微米級(jí)。

從以上結(jié)果可以看出，當(dāng)變形量小于15%時(shí)，存在著回復(fù)和部分再結(jié)晶狀態(tài)。當(dāng)變形量大于15%后，晶粒基本完成了再結(jié)晶，晶粒組織細(xì)化，存在著晶粒分布不均。這可能在于殘留的析出物在大變形條件下形成了局部纖維組織，使得局部晶粒的不容易長(zhǎng)大。而沒(méi)有析出物釘扎區(qū)域，由于變形儲(chǔ)存能較大，可以迅速發(fā)生再結(jié)晶形核，使得晶粒異常長(zhǎng)大。

圖2為不同變形條件下的晶界取向差分布圖。從圖2a～c可以看出，合金中存在著一定比例的小角度晶界，這些晶界是由變形施加于晶粒組織在退火過(guò)程中尚未完全回復(fù)條件下生成的。而變形量為10%時(shí)，晶粒組織基本完成回復(fù)或再結(jié)晶，此時(shí)小角度晶界比例約為1%，如圖2d。但在變形量為15%時(shí)，如圖2e，合金中仍然存在著較大比例的小角度晶界，表明該變形退火狀態(tài)合金未完全回復(fù)或者再結(jié)晶，晶粒組織尚未完全穩(wěn)定。當(dāng)變形量大于15%之后，如圖2f～k，可以看出合金中小角度晶界比例較低，而相應(yīng)的大角度晶界Σ3晶界（即60°取向差晶界）比例并沒(méi)有升高，一直保持在50%左右。這是由于大變形高溫退火使得合金組織發(fā)生再結(jié)晶，使得小角度晶界比例減小。而再結(jié)晶的發(fā)生會(huì)使晶粒重新形成，大角度晶界增多，使得一定程度上減小了Σ3晶界比例。這也意味著過(guò)快的發(fā)生再結(jié)晶不利于晶界特征分布的優(yōu)化。

圖3為Σ3n各類晶界比例與總的ΣCSL晶界所占比例隨變形量變化趨勢(shì)圖。從圖中可以看出，Σ3晶界比例隨著變形的增加先升高后下降，之后趨于平緩。在5%變形條件下出現(xiàn)峰值點(diǎn)為60.2%。總的特殊晶界比例與Σ3晶界比例變化趨勢(shì)基本一致，這是在于特殊晶界是以Σ3晶界為主。總的ΣCSL晶界比例在變形量15%前后，出現(xiàn)兩種不同變化趨勢(shì)。在變形量小于15%范圍內(nèi)，總的特殊晶界比例變化幅度較大，在5%變形條件下達(dá)到峰值，為67.1%；當(dāng)變形量超過(guò)15%時(shí)，總的特殊晶界比例隨變形量增加變化較小趨于平穩(wěn)，基本保持在50%左右，這一趨勢(shì)與前人研究結(jié)果相一致[20]。

圖1 不同變形量條件下1100℃退火15min顯微組織圖

一般而言，Σ1晶界是指晶界取向差角小于2°的小角度晶界，包括亞晶界。Σ1晶界比例代表著殘留形變儲(chǔ)能的大小。Σ1晶界峰值點(diǎn)出現(xiàn)在15%變形量的試樣當(dāng)中。說(shuō)明該試樣中還存在大量的亞晶界和位錯(cuò)，形變能在退火過(guò)程中尚未完全釋放，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，這可以從圖1e和2e得到驗(yàn)證。

相對(duì)于前面兩種特殊晶界比例出現(xiàn)的大幅度變化，Σ9和Σ27晶界比例相對(duì)穩(wěn)定，變化幅度較小，基本保持在5%范圍以下。這是由于合金在變形退火過(guò)程中產(chǎn)生的晶界，以退火孿晶晶界為主即Σ3晶界，而Σ9和Σ27晶界相對(duì)較少。

Σ (9+27)/Σ3的比值作為晶界特征分布優(yōu)化中重要的參數(shù)，主要反映了特殊晶界間相互作用衍生Σ9和Σ27晶界的能力。隨變形量的增加其變化趨勢(shì)，如圖4所示。圖中可以看出峰值點(diǎn)出現(xiàn)兩個(gè)，分別在15%變形量前后，這也對(duì)應(yīng)于兩種不同的退火狀態(tài)。即變形量≤15%一般認(rèn)為屬于小變形回復(fù)狀態(tài)，而＞15%則認(rèn)為是大變形再結(jié)晶狀態(tài)。因而可以看出，兩種不同退火狀態(tài)，都有著較高衍生Σ9和Σ27晶界的工藝參數(shù)。說(shuō)明小變形退火工藝與大變形退火工藝兩種工藝都有產(chǎn)生高比例特殊晶界的潛力。

圖2 不同變形量條件下1100℃退火15min晶界取向差分布圖

圖3 各類特殊晶界所占比例與預(yù)變形量之間的關(guān)系圖

圖4 Σ(9+27)/ Σ3比值與預(yù)變形量的關(guān)系圖

3 結(jié)論

（1）經(jīng)2.5%～90%軋制變形1100℃退火后，在5%變形條件下，總的特殊晶界比例最高為67.1%，其中晶界主要是Σ3晶界，Σ9和Σ27晶界比例較低。

（2）變形量小于15%時(shí)軋制退火熱處理工藝中，變形量對(duì)特殊晶界比例影響較大，晶粒處于回復(fù)或未完全再結(jié)晶狀態(tài)，晶粒組織粗大，有利于特殊晶界的產(chǎn)生。

（3）變形量大于15%后，總的特殊晶界比例基本在50%左右，這是由于晶粒發(fā)生完全再結(jié)晶后，大角度晶界增多，不利于特殊晶界的產(chǎn)生。

（4）Hastelloy C-276合金晶界特征分布優(yōu)化，變形參數(shù)應(yīng)小于15%變形量。