退火溫度對鉿棒組織與性能的影響

蔡文博，武 宇,2，姚修楠，趙鴻磊,2，陳 昊，楊 娟，朱 波

(1.西安諾博爾稀貴金屬材料股份有限公司，陜西 西安 710065)(2.西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016) (3.西安漢唐分析檢測有限公司，陜西 西安 710065)

金屬鉿作為鈦、鋯同族的金屬，屬于密排六方晶體結構[1，2]，具有機加性能優異、高溫耐腐蝕性好、抗氧化性好和吸氣能力強等優點[3-5]。鉿綜合性能優越因此用途廣泛，可作為導彈及噴氣式發動機中的結構材料；制造噴管、閥門及其他一些耐高溫零件[6，7]。鉿也可以作為超耐熱不銹鋼及高熔點材料的合金元素，用于提升其抗蠕變性能、延展性和強度[8，9]。相較于金屬鉿的其他性能，其核性能非常突出，因此主要用途是作為控制棒材料用于各種堆型[10]。

鉿的力學性能受織構、應變速率、溫度、化學成分和應力狀態等多種因素的影響[11]，其中退火溫度是一個重要的指標。除力學性能外，退火溫度對其他各項性能也有很大影響?；谏弦浑A段研究了加工方式對鉿棒綜合性能的影響[12]，此次實驗研究鉿棒性能隨退火溫度的變化規律。根據鉿的熔點Tm≈2 227 ℃，推測高純鉿的再結晶溫度為556～780 ℃。實驗選取440、600、740、900、1 040 ℃ 5個溫度點，研究退火溫度對鉿的金相組織、拉伸性能、高溫斷口形貌的影響，探索各項性能的演變規律，探尋制備反應堆用優良性能鉿棒的退火制度。

1 實 驗

實驗原料為電子束熔煉制備的φ160 mm高純鉿錠，鉿的質量分數大于99.95%。將鉿錠在1 200 ℃下保溫1.5 h，經過鍛造得到φ60 mm鉿棒坯，隨后將φ60 mm鉿棒坯在800 ℃下保溫1.5 h，采用橫列式熱軋機經過8道次熱軋至φ18 mm，然后采用旋鍛機多道次冷旋鍛得到φ13.3 mm的鉿棒。將得到的鉿棒樣品平均分為5份，分別在440、600、740、900、1 040 ℃下保溫1 h進行真空退火處理。最終得到加工態(R)及5種溫度退火處理后的樣品。

采用GX51倒置金相顯微鏡進行金相組織觀察。采用INSTRON 1185萬能材料試驗機進行室溫及高溫力學性能測試。采用JSM-6460掃描電鏡進行高溫拉伸斷口形貌觀察。

2 結果與討論

2.1 顯微組織

圖1、圖2為不同退火溫度處理后鉿棒的縱向與橫向顯微組織。從圖1a、圖2a可以看到，加工態試樣的晶粒被破碎壓扁，呈纖維狀，晶界模糊。經過440 ℃退火后(圖1b、圖2b)，組織形態相較加工態未發生明顯變化，屬于回復階段，因此在退火溫度不大于440 ℃時，可以對鉿棒進行消應力處理，不影響其組織。經過600 ℃退火后，晶粒已經完全再結晶，但未完全形成等軸晶，而經過740 ℃退火后，縱、橫向的加工態纖維狀組織均完全消失，形成新的無畸變等軸晶，晶粒度為10級。600 ℃和740 ℃退火后，組織中仍然存在孿晶組織，但數量很少。900 ℃和1 040 ℃退火后，可以看到晶粒明顯長大，900 ℃退火后晶粒度為6級，1 040 ℃退火后晶粒度為3.5級。由于晶粒粗大，可以明顯觀察到大量孿晶組織。鄭剛等人[13]研究中發現，孿晶組織在經過600～760 ℃退火后逐漸消失，與本實驗基本相符。但隨著退火溫度繼續升高，孿晶組織又再次大量出現。

圖1 不同退火溫度處理后鉿棒的縱向顯微組織Fig.1 Longitudinal microstructures of hafnium bars after annealing at different temperatures： (a)R state; (b)440 ℃;(c)600 ℃;(d)740 ℃; (e)900 ℃; (f)1 040 ℃

圖2 不同退火溫度處理后鉿棒的橫向顯微組織Fig.2 Transverse microstructures of hafnium bars after annealing at different temperatures： (a)R state; (b)440 ℃;(c)600 ℃;(d)740 ℃; (e)900 ℃; (f)1 040 ℃

一般認為退火孿晶是晶粒在生長過程中形成的，當晶粒通過晶界移動生長時，原子層在晶界角處的堆垛順序偶然堆錯，會出現一共格的孿晶界并隨之在晶界角處形成退火孿晶[14]。從圖2e、f可以清楚的看到2種數量多且明顯的退火孿晶，一種是整體貫穿晶粒的退火孿晶，另一種是未完全貫穿晶粒的不完整退火孿晶。還有一種是數量較少的形態為穿過2個晶粒，但未貫穿各自晶粒的退火孿晶?？傮w上，各種形態的退火孿晶都與晶界相關聯，從一定程度上證明了退火孿晶的形成主要與晶界有關。

2.2 拉伸性能

不同退火溫度處理后鉿棒的室溫拉伸性能如圖3所示。從圖3可以看到，440 ℃退火后，鉿棒的抗拉強度從642 MPa降低至595 MPa，屈服強度從591 MPa降低至452 MPa，延伸率從10.5%上升至16%。在此退火溫度下，加工過程中產生的殘余應力得到了消除，抗拉強度、屈服強度降低，塑性提高，并且可以看到在回復階段屈服強度降速要明顯快于抗拉強度的降速。

圖3 不同退火溫度處理后鉿棒的室溫拉伸性能Fig.3 Room temperature tensile properties of hafnium bars after annealing at different temperatures

一般對于金屬材料而言，抗拉強度與晶粒尺寸的平方根成反比，因此隨著晶粒的長大，材料的抗拉強度減小。實際結果也是隨著溫度的升高，晶粒在逐步長大，抗拉強度逐漸降低，與理論預測一致。對于屈強比而言，加工態的為0.92，440 ℃退火態為0.76，600 ℃退火態為0.66，740 ℃退火態為0.48，900 ℃退火態為0.41，1 040 ℃退火態為0.37。根據Hall-Petch關系(δ=δo+kyd-1/2，d表示平均晶粒尺寸，δo、ky分別表示單晶體的屈服強度和屈服常數)[15]，屈服強度隨晶粒尺寸的增大而降低，然而隨著退火溫度的升高，屈強比在不斷的降低，此現象說明屈服強度和抗拉強度的降速是不一致的。以740 ℃為界限，低于740 ℃屈服強度的降速明顯要高于抗拉強度降速，而高于740 ℃時，屈服強度的降速則比抗拉強度降速要慢。

對于屈強比的變化特征，分析認為，隨著退火溫度的升高，晶粒的尺寸逐步變大，退火孿晶的密度也隨之變大，退火孿晶組織從個體變為群體，所以這種組織對材料性能的影響從忽略不計變為明顯影響。從表象來看，退火孿晶對屈服強度的影響更大。

圖4為不同退火溫度處理后鉿棒的高溫拉伸性能。從圖4可以看到，320 ℃高溫拉伸性能與室溫拉伸變化趨勢類似，依然存在屈服強度降速與抗拉強度降速相比先快后慢的現象，屈服強度總體降速比抗拉強度要高。

圖4 不同退火溫度處理后鉿棒的320 ℃高溫拉伸性能Fig.4 High temperature tensile properties at 320 ℃ of hafnium bars after annealing at different temperatures

從鉿棒退火后的拉伸性能來看，若用作控制棒材料，適宜的退火溫度在600～740 ℃之間。

2.3 高溫拉伸斷口形貌

解理裂紋萌生機理有Stroh位錯塞積理論、Cottrell 位錯反應理論及Smith理論。解理臺階的形成可用螺位錯與解理面交截來解釋。不同高度的兩個解理面的分離有2種形式，第1種是沿次生解理面解理形成臺階，第2種是通過撕裂形成臺階[16]。

經不同溫度退火后鉿棒的高溫拉伸斷口形貌見圖5。從圖5a～c可以看出，退火溫度為400、600、740 ℃時，斷口皆均勻分布有不同密度的韌窩，伴有明顯的延伸線、漣漪。從宏觀拉伸試樣上看，有明顯的頸縮現象，因此在退火溫度≤740 ℃時拉伸斷裂形式都是韌性斷裂。對比740 ℃退火后的斷口形貌(圖5d)， 900、1 040 ℃時斷口上的韌窩和延伸線消失(圖5e、f)，斷裂面上形成不同高度的解理臺階，并可以看到明顯的撕裂棱，表面伴有河流狀花樣。結合宏觀拉伸試樣無明顯頸縮現象，拉伸試樣表面嚴重起皺，說明斷裂前拉伸試樣整體發生了塑性變形，但斷裂的瞬間為脆性斷裂，屬于第2種解理面分離形式，即通過撕裂形成臺階。

圖5 不同退火溫度處理后鉿棒的高溫拉伸斷口形貌Fig.5 High temperature tensile fracture morphologies of hafnium bars after annealing at different temperatures：(a)440 ℃，1 000×;(b)600 ℃，1 000×;(c)740 ℃，1 000×;(d)740 ℃，200×； (e)900 ℃，200×; (f)1 040 ℃，200×

3 結 論

(1)隨著退火溫度的升高，鉿棒組織晶粒逐漸長大，但退火孿晶組織并不會隨著溫度升高而完全消失，相反，在高溫狀態時鉿棒組織中也容易形成退火孿晶，且大部分形態的退火孿晶的形成都與晶界相關。當退火溫度≤440 ℃時，可以對鉿棒進行消應力退火，不會引發鉿棒組織的變化。

(2)鉿棒的抗拉強度、屈服強度隨著退火溫度的升高逐漸降低，在此過程中，當溫度低于740 ℃時，屈服強度比抗拉強度的降速要快，當溫度高于740 ℃時，屈服強度比抗拉強度的降速要慢，此現象可能與鉿棒中的退火孿晶組織有關。

(3)退火溫度≤740 ℃時，鉿棒高溫拉伸斷裂形式均為韌性斷裂。退火溫度在900 ℃以上時，高溫拉伸的斷口形成了高度不等的解理臺階，存在明顯的撕裂棱，表面伴有河流狀花樣，斷裂瞬間為脆性斷裂。