Inconel+718合金喷丸层γ 相的析出及应力松弛.pdf

第5 5 卷第3 期 20 03 年8 月 有色金属 N o N F E R R O U SM E T A L S V o ／5 5 ，N O3 A u g h t 200 3 I n c o n e l7 1 8 合金喷丸层7 ”相的析出及应力松弛 蔡大勇，聂璞林，单佳萍，刘文昌，姚枚 河北省亚稳材料科学与技术重点实验室，燕山大学，河北秦皇岛0 6 6 0 0 4 摘要l n c o n e l7 1 8 合盘喷丸后分别在7 0 0 C 和7 4 0 1 C 进行时效处理，果用应力分析仪研究喷丸层的应力分布拉应力松弛规 律，并通过x 射线衍射 x R D 定量分析喷丸层及基体中r 相的析出动力学。疃丸处理在I 批嘶d7 1 8 舍金丧层形成残盒压应力场， 表葡压应力约为一5 3 0 M P a ．最大压应力距表面约为0l m m ．约一6 2 0 M P a 。喷丸后的时效过程中，表面残泉压应力逐渐发生松弛， 应力橙弛的动力学过程满足Z e n e r ．W e n A v m r l f i 关系。7 0 0 ℃和7 4 0 1 2 时效时，I n e o n d7 1 8 台盘喷丸层及基休中，相的析出动力学 过程明显不同，喷丸处理促进了r 相的析出。 关键词材料科学基础；l n c o n e l7 1 8 ；喷丸；r 相；时触动力学；残余应力 中图分类号T Q l 4 61 5 ；T G l l 31 2 ；T G l l 52 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 3 0 3 0 0 1 9 0 4 I n c 。n e l7 1 8 合金是2 0 世纪6 0 年代发展起来的 沉淀硬化型镍基高温台金，金属间化合物y ”相为主 要强化相，y ’起辅助强化作用，d 相为，相的平衡 相。在6 5 0 ℃以下，I n c o n e l7 1 8 合金具有较高的强 度和塑性，良好的耐腐蚀性能和抗氧化性能．同时焊 接及成型性能优异，在航空、航天、能源和化工等工 业部门得到广泛应用[ 1 - 2 1 。I n e o n e l7 1 8 台金的时 效过程已进行了广泛的研究，d 相主要以两种方式 析出，一是在晶界析出，即晶界胞状反应，二是自晶 内析出。d 相以非均匀形核方式析出时，其形核位置 与温度有关。9 0 0 ℃以上时效时，8 相自过饱和y 固 溶体中直接析出；时效温度低于9 0 0 ℃时，r 相和 7 ’相优先于d 相析出，8 相首先在晶界和孪晶界上析 出，随时间的延长在晶内析出，d 相在7 ”相的层错上 形核，即发生厂一a 转变”一4 j 。 冷变形对I n c o n e l7 1 8 合金的时效行为有重要 的影响。冷变形过程导致位错大量增殖，同时也形 成空位。在后续的加热过程中，空位与N b 原子形 成空位一N b 原子对，在位错等缺陷处产生非平衡偏 聚。局部区域的超固溶促进d 相的析出。冷变形过程 中形成的位错降低了广相的形核激活能，而且提高 了N b 在位错处的非平衡偏聚，所以，冷变形将大大 促进y ”相的形核，同时缺陷处形成的7 ”不稳定，易 于发生y ”一8 转变”“J 。喷丸强化是目前工业领 域广泛采用的金属表面强化技术，喷丸过程在材料 表层引入残余压应力场，并使表层发生塑性变形，形 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 9 9 7 1 0 3 9 收稿日期2 0 0 2 1 1 0 4 作者简介蔡太劈 1 9 7 0 一 ．男．河北唐山市人，{ } } 师，博士生 成形变组织，残余压应力及形变组织是喷丸强化的 两个主要因素[ 7 1 。对于时效硬化型I n e o n e t7 1 8 合 金，如果在材料时效前进行高强喷丸处理，后续的时 效过程中喷丸层与基体的时效行为必然不同，从而 可在材料表面形成梯度结构层，类似的研究在钛合 金中已有报道【8 】。通过析出相的定量分析，研究 I n c o n e l7 1 8 合金喷丸层广相析出与应力松弛的动 力学过程。 1 实验方法 试验所用热轧态I n c o n e l7 1 8 合金，成分见表1 。 首先进行固溶处理，工艺为9 7 0 ℃l h ，空冷。然后 采用钢丸与玻璃丸组合工艺在气动式喷丸机上喷丸 处理，先喷钢丸，喷丸强度0 ．3 5 f 1 I A ，后喷玻璃 丸，强度为0 ．1 5 f 。 A 。喷丸后进行时效处理，温度 分别为7 0 0 ℃和7 4 0 ℃，不同时间保温后水冷。 表tI n e o n e l7 1 8 台金的化学成分／％ T a b l e1C h e m i c a lc o m p o s i t i o no fI n e o n e l7 1 8 ／％ 用x 一3 5 0 型x 一射线应力分析仪分析残余应力， 采用D ／m a x r B 型x 一射线衍射仪 C uK 。靶 定量相 分析，利用N e l s o n R i l e y 函数外推法精确测定奥氏 体点阵常数。根据x 一射线衍射结果以及奥氏体点 阵常数与析出相含量的关系确定7 ‘，y ”，8 相含量， 试验中y ’与y ”的相对含量用7 7 ／y ” 1 ／3 - 9 1 ⋯。 万方数据 生塑皇竺垦堑 堂 2 试验结果与讨论 2 ．1I n e o n e ] 7 1 8 台金喷丸层应力分布与应力松弛 I n c o n e l7 1 8 台金喷丸后残余应力沿层深的变化 如图1 所示。喷丸处理后，试样表面的残余压应力 约为一5 3 0 M P a ，随着深度的增加，残余压应力逐渐 增加，在距表面0 ．h n m 处应力绝对值最大，为一 6 2 0 M P a ，之后残余压应力逐渐减小。 喷丸处理试样在后续的高温时效过程中，喷丸 层残余应力会发生松弛，表面残余应力松弛的动力 学规律如图2 所示。由图2 可知，随时效时间延长， 喷丸层残余压应力逐渐减小，保温2 4 h 后几乎消失。 在时效初期，7 4 0 ℃时残余应力松弛速度较7 0 0 ℃稍 大，时效1 2 h 后，7 0 0 ℃和7 4 0 ℃相应的松弛量分别 为7 1 ．0 ％和8 3 ．7 ％。 图1 I n c o n e l7 1 8 台金喷丸层残余应力分布 F i g ．1 D i s t r i b u t i o no fr e s i d u a ls t r e ∞ i ns 融p e e n e dI r K o ￡* 【7 1 8 图2I n c o n e l7 1 8 合金喷丸层 残余应力的松弛规律 F i g ．2R e l a x a t i o nl a w so fr e s i d u a ls t r e s si ns h o t p e e n i n gl a y e ro fI n c o n e l7 1 8 残余应力松弛过程可用Z e n e r W e r t A v r a m i 公 式描述【“。 a ”乃护 e x p [ 一 A t ”] 1 A B e x p [ oQ ／ R T ] 2 式中一R S 一时效后试样表面残余应力；a o “一时效 前试样表面残余应力；m 一决定于松弛机制的参数； ￡一时间；A 一温度的函数；B 一常量；Q 一残余应力 松弛激活能。 l g 1 n G O R S ／a ”’ 对l g t 符合线性关系，斜率 即为式 1 中的m ，说明试样的应力松弛过程为回 复过程所控制，见图3 。不同温度下Z e n e r ．W e r t A v r a m i 式中指数m 的变化，是由于应力松弛与时 效析出相互作用的结果。 I g t ／r n i n 图3 时效时间对残余应力影响 F i g ．3 I n f l u e n c eo fa g e i n gt i m eO nr e z i d u a ls 口e K s 2 ．2I n c o n e l7 1 8 台金基体及喷丸层中r 相 析出的动力学过程 图4 和图5 为I n c o n e l7 1 8 合金喷丸处理后， 7 0 0 ℃及7 4 0 ℃时效过程中基体及喷丸层中，相析 出的定量相分析结果。 图4I n c o n e l 7 1 8 合金喷丸层及基体中r 相的析出动力学，时效温度7 0 0 ℃ F i g ．4P r e c i p i t a t i o nk i n e t i c so f 厂p h a s ei ns h o tp e e n e d I n ∞Ⅱe 【7 1 8d u r ／n ga g e i n ga t7 0 0 。C 从图4 和图5 可以看出，喷丸层及基体中厂析 出的动力学过程均可分为三个阶段。开始阶段，y ” d喜∈R倒妊舔 {、嘲扣I}}一 _￡If楫鬟恒摧 万方数据 第3 期 蔡大勇等I n c o n e l7 1 8 台金喷丸层y ”相的析出及应力松弛 2 l 相的析出量相对于时间近似呈线性关系，析出速率 较大；随时效时间的延长，厂相的析出速度逐渐降 低，析出量与时效时问近似满足抛物线关系；超过一 定时效时问后，y ”相的析出量近似保持恒定，析出 过程趋于停止。在时效开始阶段，喷丸层中y ”相的 析出速率明显高于基体，最终两者趋于相等。可见， 喷丸处理促进了7 ”相的析出，相对而言，7 0 0 ℃时效 时喷丸对7 “相析出的促进作用较为明显。 图5I n c o n e l7 1 8 合金喷丸层及基体中y “相 的析出动力学 时效温度7 4 0 。C F i g ．5P r e c i p i t a t i o nk i n e t i c so f ，p h a s ei ns h o t p e e n e dI n c o m e [ 7 1 8 a g o a ga t7 4 0 。c 通过喷丸及时效工艺的有效控制，可实现I n c o n e l 7 1 8 合金表层的强化相y ”含量高于基体。喷丸 处理对y ”相的促进作用，可通过N b 偏聚解释。喷丸 处理不仅使材料表层形成残余应力场，而且由于循 环应变形成了一定层深的形变组织，具有较高的位 错密度。喷丸导致材料表层的塑性变形过程，不仅产 生了位错，而且也出现了超空位，超空位与N b 原子 结合形成空位一N b 原子对，为了降低系统能量，空位 一N b 原子对向缺陷处扩散，从而引起N b 的非平衡偏 聚，导致N b 原子在局部区域超固溶。一方面喷丸层 的高密度位错降低了r 相的形核激活能，另一方面 N b 的非平衡偏聚增加了厂相的形核位置，增加喷 丸层的形核率。喷丸层的高密度位错以及N b 的非 平衡偏聚，是导致喷丸层与基体中厂相时效动力学 不同的主要原因”“J 。 3 结论 1 I n c o n e l7 1 8 合金经喷丸处理后，表层形成 残余压应力场，表面压应力约为一5 3 0 M P a ．距表面 约0 ．1 m m ，压应力值最大，约一6 2 0 M P a 。 2 喷丸试样经7 0 0 ℃和7 4 0 ℃时效后，表面残 余压应力逐渐发生松弛，1 2 h 后相应的应力松弛量 分别为7 1 ．0 ％和8 3 ．7 ％，应力松弛的动力学过程满 足Z e n e r - W e r t A v r a m i 关系。 3 7 0 0 ℃和7 4 0 ℃时效时，I n c o n e l7 1 8 合金喷 丸层及基体中广相的析出动力学过程明显不同，喷 丸处理促进了矿相的析出。 参考 文献 [ 1 ] 庄景云，杨锦炎，田耘，等．G H l 6 9 台金＆相与持久缺口敏感性的关系[ J ] 北京科技大学学报，1 9 9 1 ，1 3 增刊 1 7 7 [ 2 ] B u r k eMG ．M i l l e rM KP r e c i p i t a t i o ni na l l o y7 1 8 ac o m b i n e dA E Ma n dA P F I Mi n v e s t i g a t i o n [ A ] ／／L o f i aE AS u p e r a l l o y s 7 1 8 ，6 2 5 ，7 0 6a n dV a r i o u sD e r i v a t i v e s 【M jT M s ．1 9 9 1 3 3 7 [ 3 ] S u l , d a r a r a m a nM ，M u k h o p a d k y a yP ，1 3 a n e x j e eSS o m ea s p e c t so ft h ep r e c i p i t a t i o no fm e t s t a b l ei n t e r m e t a U i cp h a s e si nI n c o n e l 7 1 8 [ J ] M e t a l lT r a n ．s ，1 9 9 2 ，2 3 A 2 0 1 5 [ 4 ] D e d v a l l e e sY ，B o u z i d iM ．B o i sF ，e ta 1 ．D e l t ap h a s ei n l n c o n e l7 1 8 m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n df 。画n gp r o c e s sr e q u i r e m e n t s [ A ] ／／L o r i aEAS u p e r a U o y s7 1 8 ，7 0 6a n dv a r i o u d e r i v a t i v e s [ M ] T M S ．1 9 9 4 2 8 1 [ 5 ] 刘文昌l n c o a d7 1 8 合盒在冷热变形条件下组织变化的研究[ D ] ．哈尔滨哈尔滨工业大学．1 9 9 7 2 9 【6 ] L i aw e n c h a n g ，Y a oM e i ，C h n nZ k o n g L i n ．N i o b i u ms e g r e g a t i o ni nI n c o n e l7 1 8 [ J ] J o u r n a lo fM a t e r i a l sS c i e n c e ，1 9 9 7 ，1 0 2 1 3 [ 7 ] W a n gS h e n g p i n g ，L i Y o n g j u n ．Y a o M e i ，e ta 1 ．C o m p r e s s i v er e s i d u a ls Ⅱe s s i n t r o d u c e db ys h o tp e e n i n g [ J ] ．J o u r n a lo f M a t e r i a l s P r o c e s s i n gT e c h n o l o g y ，1 9 9 8 ，7 3 6 4 [ 8 ] B e r g e r M C ．G r e g o r yJKR e s i d u a ls t r e s sr e l a x a t i o n i ns h o t p e e n e d T i m e t a l2 1 s 【J ] M a t e r i a l sS c i e n c ea n d E n g i n e e r i n g ，1 9 9 9 ， A 2 6 3 2 0 0 [ 9 ] L i uW e n e h a n g ，X i a oF u r e t l ，Y a oM e i ．Q u a n t i t a t i v ep h a s ea n a l y s i so fl n c o n e l7 1 8b yX - r a yd i f f r a c t i o n [ J ] J o u r n a lo fM a t e r i a l s S c i e n c eL e t t e r s ，1 9 9 7 ．1 6 7 6 9 [ 1 0 ] L iRB ，Y a oM ，L i uWC ，e ta t I s o l a t i o na n dd e t e r m i n a t i o nf o r8 ，，，，p h a s e si nI n c o n e l7 1 8 [ J ] S c r i p t aM a t e r i a l i a ， 2 0 0 2 ．4 6 6 3 5 }、咖扣霉、 万方数据 有色金属第5 5 卷 P r e c i p i t a t i o no fr P h a s ea n dR e s i d u a lS t r e s sR e l a x a t i o ni nS h o tP e e n e dI n c o n e l7 1 8 C A I D a y o n g ．N 1 E P u l i n ．S H A N J i a p i n g ．L f U W e n c h a n g ．Y A O M e l K e y la b o r a t o r y 口，M e t a s t a b b e M a t e r i a l sS c i e n c ea n d E n g i n e e r i n g ，Y a n s h a nU n l z M r s i t y ，Q i r d a u a n g d a n0 6 6 0 0 4 ，H e b o l ，C h i n a A B S T R A C T M e c h a n i c a ls u r f a c et r e a t m e n tb ys h o tp e e n i n gf o l l o w e db ya g e i n ga t7 0 0 。Ca n d7 4 0 。Ci sp e r f o r m e do nI n c o n e ／7 1 8 ．T h er e s i d u a lc o m p r e s s i v es t r e s sf i e l di n d u c e db ys h o tp e e n i n ga n di t sr e l a x a t i o nb e h a v i o rd u r i n ga g e i n g a r ed e t e r m i n e d ．T h ed e t e r m i n a t i o no ft h ep r e c i p i t a t i o nk i n e t i c so f ，p h a s ei nt h es h o tp e e n e dl a y e ra n dt h em a t r i xr e s p e c t i v e l yb yX R D q u a n t i t a t i v ep h a s ea n a l y s i sT h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h er e s i d u a ls t r e s sa tt h es u r f a c ei s c o m p r e s s i v e ，a n dt h er e s i d u a ls t r e s sv a l u ei n c r e a s e sw i t hd e p t ht ot h ep e a kv a l u ea n dt h e nd e c r e a s e s ．T h et o m p r e s s i v er e s i d u a is t r e s sa tt h es u r f h c ei sa b o u t 一5 3 0 M P a ，a n dt h em a x i m u mv a l u eo ft h ec o m p r e s s i v er e s i d u a I s t r e s si sa b o u t 一6 2 0 M P aa p p e a r e da ta b o u t0 ．1 m mf r o mt h es u r f a c eT h er e s i d u a ls t r e s si n d u c e db vs h o tp e e n i n gr e l a x e sd u r i n gf o l l o w i n ga g e i n gp r o c e s sa n dt h er e l a x a t i o np r O C e s si se o ∞s o 玎日n fw i t ht h eZ e n e r - W e r t A v r a m i f o r m u l a ．P r e c i p i t a t i o nk i n e t i c so f 广p h a s ei ns h o tp e e n e dl a y e ra r ed i f f e r e n tb e t w e e nt h ea g e i n gt e m p e r a t u r e so f 7 0 0 1 2 a n d7 4 0 * 2 ，e s p e c i a l l ya tt h ei n i t i a ls t a g e ．T h ep r e c i p i t a t i o np r o c e s so fy ”p h a s ei sa c c e l e r a t e db yt h es h o t p e e n i n g ． K E YW O R D S m a t e r i a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ；I n m n d 7 1 8 ；s h o tp e e m i o g ；，p h a s e ；a g e i n gk i n e t i c s ；r e s i d u a ls t r e s s 上接第1 2 页C o n t i n u e df r o mP ．1 2 参考文献 [ 1 ] F u s h a n g H ，Z h e n g a n g Z ．T h e m e c h a n i c a lb e h a v i o ro f f o a m e da l u m i n u m [ J ] ．JM a t e rS c i ．1 9 9 9 ．3 4 2 9 1 [ 2 1 如出懈E ，岛【妇W ，G i b ∞n LJ h 、印B 啦№a n d 挺n 衄eb e h a v i c f d u n l i Ⅱl Ⅱn ‘Ⅺ蛐[ J ] ．I v h t e fS d 舀1 9 ，1 9 9 9 A 2 7 0 1 1 3 【3 ] B e a d sJ T ，T h o m p s o n MS ．D e n s i t y g r a d i e n t d f e e t so na l u m i n u m f o a mc o m p r e s s i o nb e h a v i o r [ J ] ．J M a t e r S e i ，1 9 9 7 ．3 2 3 5 9 5 【4 ] 王斌，何得坪，舒光冀．泡沫A I 合金的压缩性能及能量吸收【J ] 金属学报，2 0 0 0 ，3 6 1 0 1 0 3 7 [ 5 ] G i b s o nLj ．A s h b yMF ．e e l M 8 J rs o l i d s S t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e a [ M ] ．2 e d nU K ，C a m b r i d g eU n i v e r s i t yP r e s s ．1 9 9 7 2 0 5 【6 ] Y a m a d sY ，S h i n d h mK ，M a l m e NM ，e td ，0 m 妒陀s 直垤d d o m x a t l e nb e h a v i 茁dA 口0 3 n ] ．M a t e rs dH 1 9 ，2 0 0 0 A 2 7 7 2 1 3 1 7 ] F u s h e nH A N ，Z h e n g m a gZ H U ，J u n e h a n gG A O ，C o m p r e s s i v ed e f o r m a t i o na n de n e r g ya b s o r b i n gc h a r a c t e r i s d co ff o a m e da l u m i n u m [ J ] ．M e t a l l M a t e r T r a n s A 。1 9 9 8 ，2 9 2 4 9 7 [ 8 ] 郑明军，何得坪，陈锋多孔铝台金的压缩应力应变特征及能量吸收性能[ J ] ．中国有色金属学报，2 0 0 1 ，儿 S 2 8 1 E f f e c to fM a t r i xP r o p e r t i e so nC o m p r e s s i v eB e h a v i o r a n dE n e r g yA b s o r p t i o no fF o a m e dA IA l l o y s C H E N G H e r a l ．H U A N G X i a o m d l ．X U L i n 9 2 1H e f , iU n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ，1 - k f e i2 3 0 0 0 9 ，C h i n a ； 2A n h u i E n g l r , e 耐n g C o l l e g e o f S c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，W u h u2 4 1 0 0 0 ，A n h u i ，C h i n a T h ec o m p r e s s i v eb e h a v i o r so ft h ef o a m sm a d eo fc o m m e r c i a l l yp u r ea l u m i n u m ，h i g hs t r e n g t hA I M ga l l o y a n dt h eb r i t t l eA I Z na l l o yw i t hah i g hc o n t e n to fZ nr e s p e c t i v e l ya r ei n v e s t i g a t e d ．T h er e s u l t sr e v e a lt h a tt h ed e f o r m i n gb e h a v i o ra n dt h ee n e r g ya b s o r p t i o np r o p e r t i e so fa l u m i n u mf o a m sa r es i g n i f i c a r l | t l ya f f e c t e db yt h ep r o p e r t yo ft h e i rm a t r i x ．A n da l t h o u 【g ht h et h r e ed i s t i n c td e f o r m i n gr e g i o n sa r eo b s e r v e di nt h ec o m p r e s s i o no ft h e f o a m sw i t hd i f f e r e n tm a t r i x ，t h ed i f f e r e n c e si nt h e i rd e f o r m i n gb e h a v i o r sa r en o t a b l e ．T h ef o a r nm a d eo ft h e c o m m e r c i a l l yp u r eA Ie x h i b i t st h et y p i c a ld u c t i l em e t a l l i cf o a mw i t hl o wp l a s t i cc o l l a p s es t r e n g t h ．T h et y p i c a ld e ． f o r m i n gb e h a v i o ro fb r i t t l em e t a l l kf o a mi so b s e r v e di nt h ec o m p r e s s i o no ft h ef o a m e dA l ，Z na l l o yw i t hab r i t t h m a t r i xo fh i g hs t r e n g t h ．T h ee n e r g ya b s o r p t i o nc a p a c i t ya n de f f i c i e n c yo ft h ef o a m e dA 1 一Z na l l o ya r em u c h h i g h e rt h a nt h a to fo t h e r s K E YW O R D S m a t e r i a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ；f o a m e da l u m i n u ma l l o y ；c o m p r e s s i v eb e h a v i o r ；e n e r g ya b s o r p t i o n c a p a c i t y ；b a s ep r o p e r t y 万方数据