退火溫度對Mo-47.5%Re合金絲組織和性能的影響

李誦斌,陳飛鵬,諶日葵,習瑤瑤,馮永山,吳俊杰,李閣平

(1.江西銅業技術研究院有限公司,江西 南昌 330096)(2.中國科學院金屬研究所,遼寧 沈陽 110055)

0 引 言

金屬鉬(Mo)是一種體心立方金屬,在高溫下容易氧化,室溫下容易脆斷,同時加工性能較差,這在一定程度上限制了其性能表現和應用范圍;然而,通過添加稀有金屬錸,可以顯著改善鉬的性能。金屬錸被認為是改善鉬金屬性能效果最好的元素,利用“錸效應”,可以降低鉬錸合金的塑-脆轉變溫度,提高再結晶溫度,提升鉬合金的強度,并有效改善其加工性能。此外,添加錸還能抑制碳和氧元素的脆化作用,提高鉬錸合金的焊接性能[1-3]。尤其是當錸的含量超過40%(質量分數,下同)時,鉬錸合金展現出出色的高溫抗熱震性、高低溫塑性和高溫力學性能。因此,鉬錸合金在核工業、電子工業、航空航天等高技術領域中得到廣泛推薦和應用[4-7]。

鉬錸合金憑借其得到改善的加工性能,適用于生產絲材、板材、管材和棒材等多種合金制品。然而,由于其在制備過程中容易氧化,導致加工過程十分復雜。為了克服這個問題,通常采用粉末冶金或熔煉法制備鉬錸合金。劉沙等[8]研究了 Mo-3%Re合金的垂熔和干氫高溫燒結過程,并對比分析了兩種制備方法對拉絲工藝的影響,結果顯示:經干氫燒結的Mo-3%Re合金展現出了更細小的晶粒組織及更高的抗拉強度、延伸率和顯微硬度,表現出更優越的可加工性能。張軍良等[9]采用電子束懸浮熔煉鉬錸合金,發現制備的合金鑄錠晶粒粗大,使得熱加工性能變差,在鍛造過程中出現開裂現象。因此工業上大多采用粉末冶金方法制備鉬錸合金制品[10-13]。

鉬錸合金絲通常是由粉末冶金制備的鉬錸合金棒材加工而成的。這種制備方法包括旋鍛、拉絲等熱塑性變形工藝。這些加工工藝能夠根據需求調整形狀和尺寸,使鉬錸合金絲適應各種應用。鉬錸合金在加工過程中往往存在嚴重的加工硬化現象,這主要是由于晶粒細化、位錯密度增加及晶界強化等因素共同作用。Mannheim等[14]研究發現:隨著錸含量的增加,鉬錸合金的加工硬化現象變得更加嚴重。這給鉬錸合金的進一步深加工帶來了嚴峻挑戰,可能導致產品成材率低和產品質量不可控等問題。因此,在鉬錸合金經過一定的加工變形后,采用適當的熱加工工藝(如退火和熱處理)至關重要。這些工藝有助于恢復材料的塑性,減輕加工硬化效應[15]。國內外對鉬錸合金絲的研究報道相對較少,尤其是退火溫度對鉬錸合金絲的組織結構和性能方面的研究少之又少。本文旨在研究退火溫度對鉬錸合金絲的組織結構和拉伸性能的影響,以期為改進鉬錸合金絲的生產工藝、提高絲材性能和控制產品成材率提供科學的依據。通過深入理解退火溫度對鉬錸合金絲的影響,可以制定合理的退火方案,優化絲材的微觀結構和力學性能。這將有助于推動鉬錸合金絲的應用和發展,并滿足不同領域對高品質鉬錸合金絲的需求。

1 試驗過程

采用粉末冶金法制備Mo-47.5%Re合金絲。首先將99.95%純度的鉬粉與99.99%純度的錸粉按比例稱取后進行球磨混粉,再依次經過冷等靜壓成形、高溫燒結、旋鍛、拉拔等工藝流程制得直徑φ1 mm絲材。對上述工藝制備的拉拔態鉬錸合金絲進行退火處理,保溫時間為1 h,退火氣氛為氫氣氣氛,退火溫度分別為1 100、1 300 ℃和1 500 ℃,并對不同溫度下退火處理的絲材進行組織結構觀察和性能測試。

采用布魯克D8 Advance型XRD測試絲材的物相結構;對絲材進行離子束拋光處理后,進行EBSD測試;采用FEI Strata 400S聚焦離子束掃描電鏡切取絲材的透射電鏡樣品,在FEI Tecnai F20透射電鏡上進行顯微組織觀察;采用萬能試驗機在室溫下測試絲材的應力應變曲線。

2 試驗結果及討論

2.1 物相分析

針對拉拔態和退火態的Mo-47.5%Re合金絲進行了物相結構表征,圖1(a)、(b)展示了在30°～90°范圍內的XRD圖譜,分別對應絲材的橫截面和縱截面。從圖譜中可以觀察到Mo-47.5%Re合金絲在測試范圍內主要呈現四個衍射晶面,分別為(110)、(220)、(211)和(220)。

圖1 Mo-47.5%Re合金絲的截面XRD圖譜

通過對比絲材的橫截面和縱截面的衍射峰強度,我們發現從樣品的縱截面測量到的晶面取向呈現隨機分布,沒有明顯的織構;從橫截面測量到的晶面則表現出較為強烈的<110>織構。這表明鉬錸合金絲經過拉拔工藝形成了橫截面上(110)晶面平行于拉拔方向的絲織構。此外,退火溫度的升高未對<110>織構產生顯著影響。

2.2 晶粒組織分析

采用EBSD技術表征Mo-47.5%Re合金絲在退火前后的組織結構,以獲取其晶粒尺寸和取向,并研究退火溫度對絲材組織的影響。圖2、3展示了Mo-47.5%Re合金絲在不同狀態下的橫截面和縱截面的反極圖。由圖2可知:隨著退火溫度的增加,單位橫截面內的晶粒數量逐漸減少,這表明隨著退火溫度的升高,絲材的晶粒尺寸逐漸增大。未經退火處理的絲材晶粒尺寸約為0.3～0.5 μm,經過1 500 ℃退火處理1 h后,晶粒尺寸增大至5～7 μm。此外,從反極圖可以觀察到綠色是主要顏色,這意味著Mo-47.5%Re合金絲材在拉拔方向上呈現<110>絲織構,這與XRD結果一致。從圖3可以看出:未退火的Mo-47.5%Re合金絲的組織呈現細長的纖維結構。這主要是由于絲材經歷了大變形量的拉拔擠壓過程,導致內部積累了大量加工硬化產生的內應力;經過退火處理后,纖維晶粒組織逐漸碎化,隨著退火溫度的增加,細長的纖維結構開始轉變為短粗的短纖維結構,最終纖維結構消失,取而代之的是沿拉拔方向伸長的再結晶組織。在退火溫度為1 100 ℃時,觀察到絲材的組織中仍存在較多的變形晶粒,并且周圍布滿大量細小的再結晶晶粒。這表明再結晶尚未完全發生。然而,當退火溫度達到1 300 ℃時,變形晶粒已經完全被等軸晶粒所取代,隨著退火溫度升高到1 500 ℃,晶粒尺寸明顯進一步增大。此外,隨著退火溫度的升高,絲材的纖維織構沒有發生變化,但織構強度卻逐漸增強。

圖2 Mo-47.5%Re合金絲橫截面的反極圖

圖3 Mo-47.5%Re合金絲縱截面的反極圖

這可以根據定向形核理論來解釋:含有較大變形織構的金屬組織在再結晶的形核過程中,晶粒會優先朝著與原始織構相一致的取向生長,從而形成具有一致紋理的再結晶組織。而具有較強織構強度的晶粒會優先生長,并吞噬那些織構強度較弱的晶粒,這就是增加退火溫度會增強絲材織構強度的原因[16]。這些觀察結果與退火溫度對晶界能量和晶粒長大的影響一致,隨著退火溫度的升高,晶界能量減小,晶界遷移速率增加,從而促使晶粒的長大和再結晶的進行。

2.3 TEM顯微組織分析

為了進一步分析Mo-47.5%Re合金絲的微觀組織,使用TEM對拉拔態和1 300 ℃退火態的絲材在拉拔方向上的組織進行觀察,結果見圖4。從圖4可以看出:未經退火處理的絲材晶粒形成了形變帶組織,并在形變帶中存在大量拉長的位錯胞組織,這表明絲材經歷了顯著的加工硬化。然而,當絲材經過1 300 ℃退火處理1 h后,晶粒組織出現了平直的大角度晶界,這表明絲材發生了再結晶。退火處理有利于硬態絲材內部的空位擴散和位錯發生滑移和攀移。形變帶中一些相鄰亞晶粒之間的公共邊界上的位錯通過滑移和攀移過程重新組合和分布,從而使亞晶更加完整,最終形成無畸變的組織結構[11, 17]。結合EBSD分析結果可知:Mo-47.5%Re合金絲的完全再結晶溫度大致在1 300 ℃附近。

圖4 Mo-47.5%Re合金絲的TEM顯微組織

2.4 力學性能分析

拉拔態與不同溫度退火態的Mo-47.5%Re合金絲的應力應變曲線見圖5。從圖5可以看出:未經退火處理的拉拔態絲材具有最高的抗拉強度,達到2 026 MPa,但斷后伸長率僅為1.5%。這是因為拉拔態的絲材已經在拉伸方向形成了<110>織構,這種織構對延伸率有不利影響。退火溫度對Mo-47.5%Re合金絲的力學性能產生明顯影響。退火態絲材的抗拉強度有所降低,但斷后伸長率明顯增加。這是因為退火態的絲材經歷了回復與再結晶的過程,從纖維狀組織向等軸狀組織轉變,纖維狀組織的比例逐漸減少,等軸狀組織的比例逐漸增加。這會導致變形儲能逐漸釋放,從而降低合金的抗拉強度,但提高其塑性[18]。隨著退火溫度的升高,抗拉強度和斷后伸長率都逐漸下降。在1 100 ℃下退火后,在室溫下測得抗拉強度為1 125 MPa,斷后伸長率為23.9%;而在1 500 ℃下退火后,在室溫下測得抗拉強度為1 055 MPa,斷后伸長率為21.5%。這是因為隨著退火溫度的升高,絲材的晶粒逐漸長大,并形成了更粗大的等軸晶。這種晶粒長大會導致晶界的移動和位錯滑移受到限制,從而降低材料的拉伸性能。綜上所述,退火溫度對Mo-47.5%Re合金絲的力學性能有明顯影響。通過退火處理,可將絲材從原有的拉拔態轉變為具有較高延展性的等軸晶態。然而,過高的退火溫度會導致晶粒粗大,降低絲材的力學性能。因此,在實際加工和應用過程中需要在延展性和強度之間做出權衡,選擇適當的退火溫度進行處理。

圖5 不同狀態下Mo-47.5%Re合金絲的應力應變曲線

3 結 論

通過對拉拔態的φ1 mm Mo-47.5%Re合金絲進行1 100～1 500 ℃退火處理,并分析退火溫度對絲材組織結構和性能的影響,得出以下結論:

(1)不同溫度下的退火處理沒有對絲材的<110>織構產生顯著影響,表明退火處理對晶體取向沒有明顯的改變。

(2)隨著退火溫度的升高,拉拔態絲材中細長的絲狀晶逐漸轉變為短粗的短纖維結構,最終形成等軸狀的再結晶組織。加工過程中形成的變形帶組織也會隨著位錯的滑移和攀移逐漸消失,形成沒有畸變的組織結構。絲材的再結晶發生溫度大約在1 300 ℃左右。

(3)退火處理顯著提升了絲材的塑性,可改善絲材的可加工性能。隨著退火溫度的升高,絲材的抗拉強度和斷后伸長率逐漸下降。在1 100 ℃下進行退火處理得到的絲材表現出最佳的抗拉強度和斷后伸長率,抗拉強度為1 125 MPa,斷后伸長率為23.9%。結果表明:在適當的退火溫度下,Mo-47.5%Re合金絲的晶體結構能夠得到良好的再結晶,絲材的塑性得到明顯改善。