U720Li高温合金热变形组织及机制

陈志远

（中国航发北京航空材料研究院，北京 100095）

高温合金是指在600℃上高温条件下，仍能够承受高强度复杂工作环境，并保持一定表面稳定性的合金。高温合金在不同国家有着不同的别称，欧美国家叫高温合金为超合金(superalloy)，俄罗斯和乌克兰等国家称高温合金为热强合金或热强钢[1,2]。

U720Li合金由美国Special Metals公司开发，是一种新型的、高强度的析出强化型镍基高温合金，它在U720合金基础上大幅度降低C、B和Cr的含量，Cr含量降低减少了σ相的析出，B、C含量降低减少了针状碳化物和硼化物的析出，从而不易形成疲劳裂纹源[10]。

U720Li合金作为一种高强型高温合金，在高温环境下依旧具有优异的温强度、抗蠕变、抗疲劳、抗氧化和抗腐蚀性能，在国外航空和地面燃气轮机中得到了广泛应用[3-5]。本文就U720Li合金进行了研究。

1 实验方法

实验中使用的材料为U720Li合金铸锭，经机械加工为Φ8mm×12mm的圆柱体试样若干。所涉及的实验仪器为OLYMPUS GX51型倒置式金相显微镜，Tecnai G2 20透射电子显微镜，这种透射电子显微镜的主要用于观察各种材料的微观结构，并对样品进行纳米尺度的微区分析。

制备金相试样时切割剩下的另一半试样，再沿轴向切割取1mm厚的薄片制备透射电镜试样，然后用体积比为1:9的HClO4和C2H5OH溶液进行电解双喷处理，电流为40mA～45mA，电压为50V，温度为-40℃～-35℃。然后使用Tecnai G2 20透射电子显微镜对显微组织进行观察和分析。本研究通过将Φ8mm×12mm圆柱形U720Li合金试样在变形量60%、变形速度5×10-4s-1、5×10-2s-1、1 s-1、10s-1、变形温度900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃、1150℃的条件下进行实验。

2 U720Li合金微观组织分析

2.1 合金原始组织

图1是U720Li合金未经处理时的金相照片。从图中可以看出，U720Li合金的原始组织中，有大量黑白灰的金相和一部分黑色的小颗粒，金相主要是γ+γ´双相等轴组织，黑色的小颗粒则是碳化物，这些碳化物与γ+γ´双相之间存在相互作用，合金的性能在这种相互作用下会受到一定影响。

图1 U720Li合金原始组织金相照片

2.2 变形温度的影响

图2为U720Li合金应变速率固定为5×10-2s-1时，不同变形温度条件下的金相显微组织照片。

从图2中看，从900℃～1050℃，晶粒随着温度升高逐渐变大变明显，从。图2(a～d)中看，黑色块状为γ相，白色为γ´相。随着变形温度升高，这些晶粒在变大的同时，也在沿着同一方向边长，这是它们在逐渐等轴化。

当温度升高到1100℃时，如图2(e)所示，晶粒尺寸略有下降，但是它们变得更加均匀，黑色色块中夹杂着白色亮点。产生这种现象是因为畸变能的累积，动态再结晶充分地进行。图中，黑色晶粒较大，周围多围绕着白色的小晶粒，黑色晶粒是γ相，白色小晶粒是γ´相，这些晶粒互相制约同碳化物一起，阻碍了再结晶的生长，所以这些晶粒总体看起来都比较小。

图2 U720Li合金不同温度下的微观组织（έ=0.05s-1）

温度为1150℃时，如图2(f)所示，呈现出明显的大晶粒，界限明显而清楚，只有少量的黑色颗粒在视野中。结合1150℃的应力应变曲线，应力上升一定值后直接进入平稳状态，这个时候动态再结晶并不明显，晶粒在高温状态下不断长大，变成图2(f)中情况。

图3 U720Li合金在应变速率为0.05s-1时不同温度下的TEM照片

图3为U720Li合金在0.05s-1应变速率下处于不同温度的TEM照片。U720Li合金在900℃下变形时，如图3(a)所示，视野明显偏暗，这是因为合金中存在大量的位错胞。1000℃时，如图3(b)所示，出现了再结晶晶粒，这些再结晶晶粒比较小，可以明显地看到周围的晶界。

这些再结晶晶粒的成因，是图3(a)中的位错胞，在位错不断滑移，相反方向的位错相遇互相抵消时，相互结合形成亚晶界。这些亚晶不断吸收周围的位错胞，渐变为大角度晶界，变为再结晶晶粒，完成动态再结晶。

1100℃条件下，如图3(c)所示，可以看到一个晶粒周围布满了小亮点，这些小亮点是由较为粗大的γ相转变成的γ´相，γ´相均匀的分布在晶粒周围，阻止了晶粒的长大，这就是即使变形温度高达1100℃，晶粒依旧不是很大的原因。

当温度升高到1150℃时，如图3(d)所示，巨大的晶粒无法在视野中看到它的全貌。此时γ´相回溶形成了γ´´相，失去了γ´相的抑制，晶粒长大。但此时晶粒过于巨大，滑移系数量大幅下降，此时该合金成形性能较差。

2.3 应变速率的影响

图4是U720Li合金在变形温度固定为1050℃，应变速率为5×10-4s-1～10 s-1时的金相显微组织照片。

图4 U720Li合金在变形温度为1050℃时不同应变速率下的金相组织

图5 U720Li合金在1050℃变形温度下不同应变速率下的TEM组织

应变速率影响动态再结晶的主要途径是因为变形量是固定的，变形时间会随着应变速率的变化而变化并与之成反比。从图4整体上看，U720Li合金的变形中，应变速率从5×10-4s-1提升至5×10-2s-1时，晶粒变小，应变速率提升至1s-1后，晶粒又变大。如图4(a),应变速率较小时，晶粒尺寸较大，这是因为完成变形所需时间较长，动态再结晶生成的晶粒可以生长的足够大。从图4(b)中可看出，晶粒尺寸较图4(a)明显变小，并且有一部分沿同一方向延伸的等轴晶。这是因为应变速率增大，变形时间减少，晶粒尺寸随之减小。如图4(c,d)，晶粒尺寸变大，而且有较多的等轴晶。当应变速率大于1s-1时，应变速率较大，变形时间较短，不足以支持大量晶粒发生动态再结晶，所以变形后的组织中出现一部分等轴晶粒，晶粒尺寸变大。

图5为U720Li合金变形温度为1050℃，在5×10-4s-1～10s-1应变速率下变形的TEM微观组织照片。

如图5(a)所示，当应变速率为5×10-4s-1时，能有较大的再结晶晶粒与亚晶。由于应变速率较慢，合金有足够的时间生成位错胞，完成动态再结晶。如图5(b)所示，当应变速率为5×10-2s-1时，较小的亚晶数量较多，而几乎没有出现再结晶晶粒。这是因为应变速率的提升，留给合金完成动态再结晶的时间不多，动态再结晶没有彻底完成。在低应变速率时，U720Li合金主要通过亚晶的合并进行动态再结晶。当应变速率大于1s-1时，如图5(c,d)所示，视野中只能看到大量的位错胞，没有再结晶晶粒或者亚晶。由于变形时间较短，只能形成位错胞，而这些时间并不足以支持这些大量的位错胞发生动态再结晶。

3 结语

①碳化物与γ+γ´双相之间存在相互作用，U720Li高温合金的性能在这种相互作用下会受到一定影响。②变形初期，加工硬化占主导地位，随变形量增加，加工硬化失去主导地位，真应力值下降，而后硬化软化的作用均下降且影响力相近。③1000℃时亚晶不断吸收周围的位错胞，渐变为大角度晶界，变为再结晶晶粒，完成动态再结晶。1100℃条件下，较为粗大的γ相转变成的γ´相，γ´相均匀的分布在晶粒周围，阻止了晶粒的长大。当温度升高到1150℃时γ´相回溶形成了γ´´相，失去了γ´相的抑制，晶粒长大，滑移系数量大幅下降，因此U720Li高温合金成形性能差。