Haynes230鎳基合金高溫拉伸特性分析

呂春堂，劉 兵，金 丹

(沈陽化工大學 機械與動力工程學院， 遼寧 沈陽 110142)

Haynes230鎳基合金屬于Ni-Cr-W系固溶強化型高溫合金，其基體為具有面心立方結構的γ相，合金中的析出相只有碳化物WC和M23C6/M6C.Haynes230鎳基合金具有良好的高溫強度，優良的抗氧化性、耐腐蝕性、抗氮能力和熱穩定性等，易于成型制造.Haynes230鎳基合金主要用于制造航空渦輪發動機燃燒室、火焰筒等零部件，同時也廣泛用于制造地面燃氣輪機燃燒室部件及工業爐熱電偶保護管、熱旋風器內襯等高溫設備元件[1-4].

金屬材料的拉伸特性是衡量材料力學性能的重要指標之一.目前針對鎳基金屬材料的拉伸性能已有研究報道[5-12].Wang等[5]針對Inconel750H鎳基高溫合金進行了720 ℃、750 ℃和780 ℃下的拉伸試驗，合金應變率從5×10-5/s增加到5×10-3/s，對高溫變形過程中合金強化機制進行了討論.Rai等[6]針對CM247ds鎳基高溫合金在室溫(RT)～955 ℃范圍內進行了拉伸試驗.透射電鏡結果表明：在這種合金中屈服強度異常是γ′相中位錯交互作用的結果；750 ℃延性的增強歸因于超晶格疊加斷層的形成.Hosseini等[7]研究了均勻化熱處理對含硼鋯添加劑的鎳基高溫合金718鑄件組織、硬度和拉伸性能的影響，對均勻化后的合金進行了硬度和高溫拉伸試驗.通過OM、SEM和XRD等技術進行了微觀組織研究和相結構分析.結果表明：隨著均勻化熱處理時間的延長和溫度的升高，析出相的量減少；當溫度大于1075 ℃時，熱處理時間的延長可以提高強度和延性，當溫度大于1175 ℃時，熱處理時間的延長伴隨著強度和延性的降低，導致晶界處針狀三角洲相的減少；硼和鋯對合金的強度和延性有負面影響.Shi等[8]在定向凝固爐中鑄造了一種含稀土和釕的鎳基單晶高溫合金，研究了再結晶組織的演變及其對850 ℃和980 ℃拉伸性能的影響，并觀察了細胞微觀結構.結果表明：胞狀再結晶區的厚度隨著噴砂壓力的增大而增大；細胞結構的出現破壞了拉伸性能，拉伸強度和伸長率均隨胞狀結構厚度的增加而降低.馬李等[9]采用電子束氣相沉積方法制備了Ni-Cr-Al合金，對試樣進行了固溶及時效處理，考察了20～1000 ℃不同溫度下合金的拉伸性能及位錯結構特征.結果表明：隨著試驗溫度升高，合金拉伸強度逐漸降低，斷口形態大多為韌窩和準解理斷裂構成.李雅莉等[10]采用激光選區熔化技術制備HastelloyX試樣,研究了熱等靜壓和固溶處理對HastelloyX試樣顯微組織及拉伸性能的影響.郭小童等[11]對航空發動機渦輪葉片用K465合金在1180～1270 ℃短時超溫條件下的瞬時拉伸性能進行了測試，并利用SEM、XRD和物理化學相分析的方法觀察和定量表征拉伸前后的顯微組織，研究了短時超溫過程中顯微組織的演變規律及其對拉伸性能的影響.

金屬材料的拉伸試驗是研究材料特性的基礎，鑒于Haynes230鎳基合金在工業領域的廣泛應用，筆者針對Haynes230鎳基合金進行了不同溫度下的拉伸試驗研究.基于試驗結果討論不同溫度下材料的力學特性，比較溫度對DSA效應的影響，并針對加工硬化率特性進行了討論.

1 試驗過程

1.1 材料及試樣

試驗用材料為哈氏國際公司生產的鎳基高溫合金Haynes230，其詳細的化學成分如表1所示.材料按照AMTS 5891的標準進行處理.

表1 Haynes230鎳基合金材料的化學成分

將用于拉伸試驗的材料制備成兩端帶螺紋的圓柱形試樣的材料，其幾何形將如圖1所示.

圖1 試樣的幾何形狀

1.2 試驗內容

在MTS實驗機上進行室溫、650 ℃、700 ℃、760 ℃和800 ℃下的拉伸試驗.在標距段內，點焊K型熱電偶精確控制溫度在±2 ℃內.選擇彈性范圍的力控制和塑性部分的位移控制兩種控制方式進行拉伸試驗.

2 試驗結果分析

2.1 不同溫度下的力學性能分析

試驗中測得的應力應變為名義應力應變值，大變形下使用真應力應變進行分析將獲得更為精確的結果.真應力應變與名義應力應變間的關系可通過公式

σT=σ(1+ε)，

(1)

εT=ln(1+ε)

(2)

進行換算.式中:σ為名義應力；ε為名義應變；σT為真應力；εT為真應變.

Haynes230鎳基合金不同溫度下拉伸試驗的宏觀真應力-真應變曲線如圖2所示.由圖2可知：試驗溫度范圍內，Haynes230鎳基合金的拉伸變形大致呈現為3個階段，即彈性變形階段、均勻塑性變形階段和不均勻的集中塑性變形階段.從圖2曲線可以看出該材料屈服強度高，塑性較好.

圖2 Haynes230鎳基合金不同溫度下的宏觀真應力-真應變曲線

Haynes230鎳基合金強度隨溫度變化的曲線如圖3所示.由圖3可以看出：在650～760 ℃范圍內，合金的抗拉強度表現出顯著降低的趨勢，而屈服強度受溫度的影響不大，維持在300 MPa左右；在760～800 ℃范圍內，屈服強度緩慢降低，抗拉強度近似線性降低.

彈性模量是表征金屬材料對彈性變形抗力的另一個重要指標.彈性模量與原子間距有關，對特定材料而言，原子間距隨溫度升高而增大，原子間結合力減弱，直接表現為彈性模量降低[12].由圖2可知：Haynes230鎳基合金彈性模量隨溫度的增加而下降，在室溫、650 ℃、700 ℃、760 ℃和800 ℃下其彈性模量分別為204 GPa、171 GPa、167 GPa、165 GPa和159 GPa.

圖3 Haynes230鎳基合金的強度隨溫度變化曲線

2.2 動態應變時效分析

由圖2可以看出：650 ℃時Haynes230鎳基合金表現出明顯的鋸齒屈服現象，即在650 ℃下Haynes230鎳基合金發生了明顯的動態應變時效(DSA).DSA是一種變形與時效同時發生的過程，在宏觀應力-應變曲線上表現為反復的鋸齒屈服現象，該現象實質是由材料內部的固溶原子與位錯之間反復釘扎和脫釘造成的.當可動位錯被障礙物(如林位錯、晶界等)阻擋時，溶質原子以擴散方式向其偏聚，直至形成有效的溶質原子氣團對可動位錯產生釘扎作用，造成額外阻力，引起應力升高.在外加應力場作用下，可動位錯能夠以熱激活的方式克服障礙及溶質原子氣團，發生脫釘，引起應力下降[13].

雖然在650 ℃下Haynes230鎳基合金的DSA效應明顯，但隨著溫度升高至700 ℃，Haynes230鎳基合金呈現出較弱的鋸齒屈服現象，即DSA現象較弱.相關研究表明，對同一種材料而言，DSA現象具有明顯的溫度相關性[14]，該實驗中700 ℃下溶質原子遷移率增加，不能在受阻的可動位錯周圍形成有效的溶質原子氣團，導致溶質原子與位錯之間的釘扎作用弱化，DSA現象減弱.

2.3 加工硬化率

金屬材料宏觀上的屈服是微觀上大量位錯運動的結果，因此從微觀上進行晶體范性形變的分析有助于理解金屬材料屈服的宏觀現象.加工硬化率可作為理解材料屈服強度的一個重要指標.

筆者重點分析屈服后直至達到抗拉強度值之間加工硬化率的變化.根據圖2的真應力-真應變曲線得到加工硬化率(θ)-流變應力(σ-σy)曲線，如圖4所示.其中σy為材料的屈服應力.加工硬化在微觀上可理解為在變形過程中應變量增加引起位錯在晶界上增殖，同時也會有部分位錯湮滅，位錯增殖和位錯湮滅達到一個相對平衡的狀態，在加工硬化率-流變應力曲線中表現為直線部分.

從圖4可以看出：直線段部分在整個加工硬化過程中隨著溫度的增加而減小，室溫下直線段所占比例約為87%，而當溫度達到800 ℃時整個加工硬化部分已看不到明顯的直線段部分.這是由于位錯增殖速率隨著溫度的升高而降低的結果.

圖4 Haynes230鎳基合金在不同溫度下的加工硬化率

3 結 論

針對Haynes230鎳基合金進行了室溫、650 ℃、700 ℃、760 ℃和800 ℃下的拉伸試驗，得到了如下結論：

(1) 隨著實驗溫度的增加，Haynes230鎳基合金的屈服強度明顯下降，從室溫下的444 MPa下降至800 ℃下的252 MPa.在650～760 ℃范圍內，溫度對材料屈服應力的影響較小，維持在300 MPa左右.

(2) Haynes230鎳基合金在650 ℃下表現出明顯的DSA效應，但溫度達到700 ℃時，DSA現象減弱.

(3) 針對不同溫度下屈服后直到斷裂前Haynes230鎳基合金合金的加工硬化率-流變應力關系分析表明：該階段加工硬化率-流變應力呈直線關系；隨著溫度的增加直線段部分在整個加工硬化過程中逐漸減小，室溫下直線段所占比例約為87%，而當溫度達到800 ℃時整個加工硬化部分已看不到明顯的直線段部分.