D01:10.13374j.ism100103x2006.06.008 第28卷第6期 北京科技大学学报 Vol.28 Na 6 2006年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jum.2006 新型钴基耐热合金高温流变变形行为 汤春峰1,3 曲选辉2段柏华2) 何新波2 1)中南大学粉末治金国家重点实验室.长沙410083 2)北京科技大学材料科学与工程学院新金属材料国家重点实验室，北京100083 摘要在Gle山l一l500热模拟机上，采用等温压缩试验，研究了一种含Ti和Al的新型钴基耐热 合金在850~1150℃温度范围的压缩变形行为.实验结果表明：该合金具有良好的抗高温流变性 能，在850℃及应变速率00021~2.1s范围时其峰值流变应力可以达到360~475MPa.合金的 流变行为可用Zener-Hollomon参数米描述 关键词钴基合金：热压缩变形：流变应力：等温压缩试验 分类号TG132.3 美国宇航局将工作在760℃以上的活塞环定 将试样加热到预定试验温度后保温2min,再分别 义为“热活塞环”(hot piston ring),是一些先进武 以0.0021,0.02L,02121s1的应变速率使之 器装备自动机系统发展的关键零件1？.钴基耐 发生一定量的变形.变形完成后立即对试样进行 热合金具有优良的抗热腐蚀和耐热疲劳性 水淬以保持其变形组织.采用电火花线切割方法 能3，是热活塞环的优选材料s-.但以碳化物 从变形试样中切取3mm×0.4mm的圆片，经砂 为强化相的钴基耐热合金在高温工作时，由于会 纸打磨和离子减薄后，在H一800透射电子显微镜 发生碳化物的聚集长大合金强度降低，在干摩擦 上观察变形试样的微观组织. 条件下很容易与对偶材料发生粘连，从而造成活 塞系统失效.因此其使用温度一般都在800℃以 2实验结果与分析 下89.针对可在850℃左右使用的热活塞环的 21真应力应变曲线 要求，开发了一种含Ti和A1的沉淀强化型钴基 热模拟机所得实验数据为载荷一位移曲线 耐热合金0，采用该合金制造的热活塞环在高温 将其整理成真应力一真应变曲线.图1显示了在 火药气氛和干摩擦条件下，具有良好的高温弹性 同一变形温度不同变形速率下的真应力一真应变 和摩擦性能活塞环气密性好，系统工作稳定.本 曲线.由图中可以看出：合金在不同变形条件下 文利用Gleeble一1500热模拟机，研究了该合金在 的加工硬化特征有明显的差别：在同一变形速率 850~1150℃温度范围的压缩变形行为，为该钴 下，温度越高，合金流变应力越低.合金的高温变 基合金的热加工工艺制定和应用提供理论和实验 形是一个加工硬化和回复与再结晶软化的综合作 依据. 用过程.随着变形量增大，位错不断增殖，位错间 1 实验过程 的交互作用增大了位错运动的阻力，从而呈现加 工硬化现象.另一方面，在高温变形时，由于动态 合金成分及其制备和热处理工艺见文献 回复和动态再结晶的作用又会使合金发生软化. [10],将合金材料加工成8mm×12mm的压缩 当软化速率与硬化速率平衡时流变应力达到最大 试样，在Gleeble-一l500热模拟机上进行高温压缩 值.当变形温度升高时，一方面位错滑移的临界 变形实验.在圆柱体压缩试样的两端加放石墨 切应力下降致使合金变形抗力降低.另一方面回 片，以减少摩擦对应力状态的影响.试验温度分 复和再结晶可以在更小的变形量发生，因此合金 别为850,950,1050,1150℃，以40℃s的速率 的流变应力下降.图2是在850,1050℃应变速 收稿日期：2006-03-22修回日期：3006-04-23 率为0.021s时，合金发生20%变形后的TEM 基金项目：国家杰出青年科学基金资助项目(Na.50025412) 照片.1050℃下变形的试样的位错密度要明显低 作者简介：汤春峰(1976一)，男，博士研究生：曲选辉(1960一)， 男，教授，博士 于850℃的变形试样，这同样反映了高温下发生
新型钴基耐热合金高温流变变形行为 汤春峰1, 2) 曲选辉2) 段柏华2) 何新波2) 1) 中南大学粉末冶金国家重点实验室, 长沙 410083 2) 北京科技大学材料科学与工程学院新金属材料国家重点实验室, 北京 100083 摘 要 在 Gleeble-1500 热模拟机上, 采用等温压缩试验, 研究了一种含 Ti 和 Al 的新型钴基耐热 合金在 850～ 1 150 ℃温度范围的压缩变形行为.实验结果表明:该合金具有良好的抗高温流变性 能, 在 850 ℃及应变速率 0.002 1～ 2.1 s -1范围时其峰值流变应力可以达到 360 ～ 475 MPa.合金的 流变行为可用 Zener-Hollomon 参数来描述. 关键词 钴基合金;热压缩变形;流变应力;等温压缩试验 分类号 TG 132.3 收稿日期:2006 03 22 修回日期:2006 04 23 基金项目:国家杰出青年科学基金资助项目( No .50025412) 作者简介:汤春峰( 1976—) , 男, 博士研究生;曲选辉( 1960—) , 男, 教授, 博士 美国宇航局将工作在 760 ℃以上的活塞环定 义为“热活塞环”( ho t piston ring ) , 是一些先进武 器装备自动机系统发展的关键零件[ 1 2] .钴基耐 热合 金具 有优良 的抗 热腐 蚀和耐 热疲 劳性 能[ 3 4] , 是热活塞环的优选材料[ 5 7] .但以碳化物 为强化相的钴基耐热合金在高温工作时, 由于会 发生碳化物的聚集长大, 合金强度降低, 在干摩擦 条件下很容易与对偶材料发生粘连, 从而造成活 塞系统失效, 因此其使用温度一般都在 800 ℃以 下[ 8 9] .针对可在 850 ℃左右使用的热活塞环的 要求, 开发了一种含 Ti 和 Al 的沉淀强化型钴基 耐热合金[ 10] , 采用该合金制造的热活塞环在高温 火药气氛和干摩擦条件下, 具有良好的高温弹性 和摩擦性能, 活塞环气密性好, 系统工作稳定.本 文利用 Gleeble-1500 热模拟机, 研究了该合金在 850 ～ 1 150 ℃温度范围的压缩变形行为, 为该钴 基合金的热加工工艺制定和应用提供理论和实验 依据 . 1 实验过程 合金成分及其制备和热处理工艺见文献 [ 10] , 将合金材料加工成 8 mm ×12 mm 的压缩 试样, 在Gleeble-1500 热模拟机上进行高温压缩 变形实验.在圆柱体压缩试样的两端加放石墨 片, 以减少摩擦对应力状态的影响.试验温度分 别为 850, 950, 1 050, 1 150 ℃, 以 40 ℃·s -1的速率 将试样加热到预定试验温度后保温 2 min, 再分别 以 0.002 1, 0.021, 0.21, 2.1 s -1的应变速率使之 发生一定量的变形.变形完成后立即对试样进行 水淬以保持其变形组织.采用电火花线切割方法 从变形试样中切取 3 mm ×0.4 mm 的圆片, 经砂 纸打磨和离子减薄后, 在 H-800 透射电子显微镜 上观察变形试样的微观组织. 2 实验结果与分析 2.1 真应力-应变曲线 热模拟机所得实验数据为载荷-位移曲线, 将其整理成真应力-真应变曲线 .图 1 显示了在 同一变形温度不同变形速率下的真应力-真应变 曲线 .由图中可以看出 :合金在不同变形条件下 的加工硬化特征有明显的差别;在同一变形速率 下, 温度越高, 合金流变应力越低.合金的高温变 形是一个加工硬化和回复与再结晶软化的综合作 用过程 .随着变形量增大, 位错不断增殖, 位错间 的交互作用增大了位错运动的阻力, 从而呈现加 工硬化现象.另一方面, 在高温变形时, 由于动态 回复和动态再结晶的作用又会使合金发生软化. 当软化速率与硬化速率平衡时流变应力达到最大 值.当变形温度升高时, 一方面位错滑移的临界 切应力下降致使合金变形抗力降低, 另一方面回 复和再结晶可以在更小的变形量发生, 因此合金 的流变应力下降 .图 2 是在 850, 1 050 ℃, 应变速 率为 0.021 s -1时, 合金发生 20 %变形后的 TEM 照片 .1050 ℃下变形的试样的位错密度要明显低 于850 ℃的变形试样, 这同样反映了高温下发生 第 28 卷 第 6 期 2006 年 6 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .28 No.6 Jun.2006 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2006.06.008
Vol.28 No.6 汤春峰等：新型钴基耐热合金高温流变变形行为 543· 了更多的动态回复和动态再结晶 500a 500 6) 450 450 400 850℃ 400 850T 300 950℃ 250 200 200 1050℃ 150 150 100 1150℃ 1150t: 100 50 50 06i0.2030403060.7080.9101. %0.t020i04030.6070i8091.01.1 500 500r 850t. c) 850℃ (d) 450 950℃ 400 400 1050T* 350 350 300 1I50t 1050: 200 150℃ 200 150 150 100 50 50 %0020040306070.80.91.0.l 00i02030403o60708090.1 图1不同应变速率下合金的真应力应变曲线.(a)0.0021s(b)0.021s:(gQ21s:(d21s1 Fig.I True stress-strain curves of the alloy deformed at different strain rates.(a)0.002 1s;(b)0.021 s;(c)0.21s;(d)2 1 81 (a (b) 0.2 um 021m 图2应变速率为0.021s1,变形量为Q.2时不同温度下合金的透射电镜照片.(850℃，(b)1050℃ Fig.2 TEM micrographs of the alloy deformed to a true strain of 0.2 at a strain rate of 021s-and different temperatures:(a)850 ℃，(b)1050℃ 同一变形温度不同变形速率下的真应力一真 中，材料在任何应变或稳态下的高温流变应力σ 应变曲线如图3所示.总体看来同一变形温度 取决于变形温度T和应变速率ε.流变应力σ与 下，变形速率越低，峰值流变应力越低峰值流变 温度T和应变速率ε的关系可用下面的函数关系 应力所对应的应变值也越小.回复与再结晶是一 表示川： 个热激活过程，时间越长发生回复、再结晶形核 和长大的数量越多，所以再结晶软化的作用更加 Z=Eex p(Q/RT)=A[sin(ac)](1) 明显 式(1)可以简化成两式.在较低应力范围内(a 2.2热变形流变应力方程 08),式(1)简化成： 高温变形是一个热激活过程，在热变形过程 Z=Eex p(Q/RT)=A10" (2)
了更多的动态回复和动态再结晶. 图 1 不同应变速率下合金的真应力-应变曲线.(a) 0.002 1 s -1 ;( b) 0.021 s -1 ;( c) 0.21 s -1 ;( d) 2.1 s -1 Fig.1 True stress-strain curves of the alloy deformed at different strain rates:( a) 0.002 1 s -1 ;( b) 0.021 s -1 ;( c) 0.21 s -1 ;( d) 2.1 s -1 图 2 应变速率为 0.021 s -1 , 变形量为 0.2 时不同温度下合金的透射电镜照片.( a) 850 ℃;( b) 1 050 ℃ Fig.2 TEM mi crographs of the alloy deformed to a true strain of 0.2 at a strain rate of 0.021 s -1 and different temperatures:( a) 850 ℃;(b) 1 050 ℃ 同一变形温度不同变形速率下的真应力-真 应变曲线如图 3 所示 .总体看来, 同一变形温度 下, 变形速率越低, 峰值流变应力越低, 峰值流变 应力所对应的应变值也越小.回复与再结晶是一 个热激活过程, 时间越长, 发生回复、再结晶形核 和长大的数量越多, 所以再结晶软化的作用更加 明显 . 2.2 热变形流变应力方程 高温变形是一个热激活过程, 在热变形过程 中, 材料在任何应变或稳态下的高温流变应力 σ 取决于变形温度 T 和应变速率ε · .流变应力 σ与 温度 T 和应变速率ε · 的关系可用下面的函数关系 表示 [ 11] : Z =ε · ex p( Q/ R T) =A[sin( ασ)] n ( 1) 式( 1)可以简化成两式.在较低应力范围内( ασ< 0.8) , 式( 1)简化成: Z =ε · ex p( Q/ R T) =A1 σ n ( 2) Vol.28 No.6 汤春峰等:新型钴基耐热合金高温流变变形行为 · 543 ·
。544 北京科技大学学报 2006年第6期 500a 500o 450 2.1s1 色 ,21s' 0.021s C 0.0021s 350 300 300 0.021s1 250 250 200 200 150 150 1o 50 50 %00立203040内0607080.91i0T.1 %0020040060.70.80.91.01.l 500d 500 4s (d 450 400 2.1s 400 350 350 300 0.21st 300 2.1s 0.021s 250 200 200 0 021s 50 wwx 10 0.021s 50 0.0021s 0020站o4内0i60708091i01 %01d2030405060.7080.91011 E 图3不同温度下合金的真应广真应变曲线.(a)850℃，(b)950℃，(g)1050℃，(d1150℃ Fig.3 True stressstrain curves of the alloy deformed at different temperatures:(a)850 C(b)950 C:(c)1050 C:(d)1150C 在较高应力范围内(a>0.8),式(1)可以简化 变形激活能Q=397kJ·mo厂1，A2= 为1☒： 13.25×1010,a=0.03459.在流变变形过程中均 Z=Eexp(Q/RT)=A2exp(ao) (3) 有>0.8，相关系数R=0.9706,表明方程具有 其中，Z为Zener-Hollomon参数，物理意义为经过 较高的可信度. 温度修正的应变速率；e为应变速率；Q为高温变 将计算所得参数代回式(3)，可以得到Z参 形表观形变激活能与应力几乎无关，它反映材料 数与应变速率、温度和应力的函数： 热变形的难易程度，也是材料在热变形过程中重 Z=exp47814.68/T)= 要的力学性能参数；R为气体常数；A,A1,A2,α 13.25X101exp0.03459o) (7) 为常数；n为应力指数.根据本研究中合金的应 则该合金高温压缩变形时的流变应力方程 力一应变特点，选用式(3)来描述该合金的流变应 为 力 c=28.9101he+1.380557X10T1-740.32 将式(3)两边取对数可得： (8) In E+O/RT=InA2+ao (4) 从式(8)可以看出：同一温度下，应变速率越 式4)可化为： 大，流变应力高：同一应变速率下，温度越高，流变 G=E/a+0/(aRT)-InA2/a (5) 应力越小.这与本实验数据曲线结果一致. x1=In e,b1 l/a,x2=T,b2=0/ 3结论 (R),b3=一lnA/&,则式(5)可化为： (1)新型钴基耐热合金具有良好的抗高温流 =b1x1+b2x2十b (6) 变性能，在850℃和应变速率为0.0021~2.1s1 从图1或图3中选取真应变为0.8时的应力 范围时其峰值流变应力可以达到360~475MPa. 值作为计算应力.根据最小二乘法原理和二元线 (2)合金的流变行为可用Zener-Hollomon参 性回归模型可以得到的解为b1=289079,b2= 数来描述，流变应力表达式分别为： 1.380557×10°，b3=一740.32.经转换计算可得 Z=exp4781468/T)=
图 3 不同温度下合金的真应力-真应变曲线.( a) 850 ℃;( b) 950 ℃;( c) 1 050 ℃;( d) 1 150 ℃ Fig.3 True stress-strain curves of the alloy deformed at different temperatures:( a) 850 ℃;( b) 950 ℃;( c) 1 050 ℃;( d) 1 150 ℃ 在较高应力范围内( ασ>0.8), 式( 1) 可以简化 为[ 12] : Z =ε · exp( Q/ RT ) =A2exp( ασ) ( 3) 其中, Z 为Zener-Hollomon 参数, 物理意义为经过 温度修正的应变速率 ;ε ·为应变速率 ;Q 为高温变 形表观形变激活能, 与应力几乎无关, 它反映材料 热变形的难易程度, 也是材料在热变形过程中重 要的力学性能参数;R 为气体常数;A , A 1, A2, α 为常数;n 为应力指数 .根据本研究中合金的应 力-应变特点, 选用式( 3)来描述该合金的流变应 力. 将式( 3)两边取对数可得 : ln ε · +Q/ R T =ln A 2 +ασ ( 4) 式( 4)可化为: σ=ε · / α+Q/ ( αR T) -ln A2/ α ( 5) 设 x 1 =ln ε · , b1 =1/ α, x 2 =1/ T, b2 =Q/ ( αR ), b3 =-ln A 2/ α, 则式( 5)可化为 : σ=b1 x 1 +b2 x 2 +b ( 6) 从图 1 或图 3 中选取真应变为 0.8 时的应力 值作为计算应力 .根据最小二乘法原理和二元线 性回归模型可以得到的解为 b1 =28.907 9, b2 = 1.380 557 ×10 6 , b3 =-740.32 .经转换计算可得 变 形 激 活 能 Q = 397 kJ · mol -1 , A 2 = 13.25 ×10 10 , α=0.034 59 .在流变变形过程中均 有 ασ>0.8, 相关系数 R =0.9706, 表明方程具有 较高的可信度 . 将计算所得参数代回式( 3), 可以得到 Z 参 数与应变速率 、温度和应力的函数 : Z =ε · ex p( 47 814.68/ T) = 13.25 ×10 10 ex p( 0.034 59 σ) ( 7) 则该合金高温压缩变形时的流变应力方程 为: σ=28.910 1ln ε · +1.380 557 ×10 6 T -1 -740.32 ( 8) 从式( 8) 可以看出:同一温度下, 应变速率越 大, 流变应力高 ;同一应变速率下, 温度越高, 流变 应力越小 .这与本实验数据曲线结果一致 . 3 结论 ( 1) 新型钴基耐热合金具有良好的抗高温流 变性能, 在 850 ℃和应变速率为 0.002 1 ～ 2.1 s -1 范围时其峰值流变应力可以达到 360 ～ 475 MPa . ( 2) 合金的流变行为可用Zener-Hollomon 参 数来描述, 流变应力表达式分别为 : Z =ε · ex p( 47 814.68/ T) = · 544 · 北 京 科 技 大 学 学 报 2006 年第 6 期
Vol.28 No.6 汤春峰等：新型钴基耐热合金高温流变变形行为 ·545。 13.25X10exp(0.03459o) [6 Cawley J.M etcalf J E P.Jones A H.et al.A tribological 或 study of cobalt chromium molybdenum albys used in metao metal resurfacing hip arth moplasty.Wear,2003,255(2): 0=289101ln+1.380557×10T-1-740.32. 999. (3)新型钴基合金的热变形激活能Q=397 [7 TingLL Shih T S.Piston ring friction loss behaviour for kJmo厂1. motored and fired reciprocating engines.Lubr Sci,1995(8): 37 参考文献 [8 Zhang K.Tang N Y.On the w ear of a cobal+based superalloy [1]Siney H E.Hot Piston Ring/Cylinder Liner Materials:Selec- in zine haths Metall Mater Trans A.2003.34A(10):2387 tion and Evaluat ion.NASA Tech nical Memorandum.No. [9 LeeJ S.Lee J H.Choi B G.et al The solidification mi- 100276.1988 cmostructure and carbide formation behaviors in the cobalt- [2]Allen D J.Tomazc W A.Hot Piston Ring Tests.NASA based superalloy EC Y768.Mater Sci Forum,2005.486:3374 Technical Memorandum,Oct 26.1987 [1(曲选辉，汤春峰，果世驹等。一种火炮用活塞环及其置备 [习黄乾尧，李汉康.高温合金.北京：治金工业出版社，2000： 方法：中国专利.200410029001.5.200-013 9 11]Medima S F.Hernandez CA.General expression of the Zem [4袁福河，孙晓蜂，管恒荣，等.钻基高温合金的循环氧化行 erHollomon on parameter as a function of the chemical com- 为研究.中国腐蚀与防护学报。2002,22(2)：115 position of low alloy and microalloyed steels.Acta Mater. [5]Liu R.Yao M X.Patnaik P C.et al.Effects of heat treat 1996.441):137 ment on mechanical and trbological properties of cobalt-base 【1习李佃国，尹法杰，李长荣.GH674高温合金的热变形行为. Tribaloy alloys.J Mater Eng Perform.2005.14(5):634 金属热处理.2005,30(8)：5 Flow behavior of a modified cobalt alloy at high temperature TANG Chunfeng2,QU Xuanhui2,DUAN Baihua2),He Xinbo) 1)State Key Laboratory for Pow der Metallurgy.Central South University,Changha 410083,China 2)State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials.Materials Science and Engineering School.University of Science and Technobgy Beijing.Beijng 100083.China ABSTRACT The isothermal compression deformation behavior of a modified cobalt alloy was investigated at temperatures from 850 to 1 150 C with Gleeble-1500 simulation machine.The ex perimental results show that the alloy has excellent high-temperature mechanical properties.Its maximum flow stress at 850 Cis in the range of 360-475MPa when the strain rate is between 0 0021 and 2.Is.The flow stress of the alloy during high temperature deformation can be described by Zener-Hollomon parameter. KEY WORDS Cobalt-base alloy:hot compression deformation;flow stress;iso thermal compression test
13.25 ×10 10 ex p( 0.034 59 σ) 或 σ=28.910 1ln ε · +1.380 557 ×10 6 T -1 -740.32 . ( 3) 新型钴基合金的热变形激活能 Q =397 kJ·mol -1 . 参 考 文 献 [ 1] S liney H E .Hot Piston Ring/ Cylinder Liner Mat erials:S election and Evaluation.NASA Technical Memorandum, No . 100276.1988 [ 2] Allen D J, Tomazi c W A .Hot Pist on Ring Tests.NASA Technical Memorandum, Oct 26.1987 [ 3] 黄乾尧, 李汉康.高温合金.北京:冶金工业出版社, 2000: 9 [ 4] 袁福河, 孙晓峰, 管恒荣, 等.钴基高温合金的循环氧化行 为研究.中国腐蚀与防护学报, 2002, 22( 2) :115 [ 5] Liu R, Yao M X, Patnaik P C, et al.Effects of heat treatment on mechanical and tribological properties of cobalt-base Tribaloy alloys.J Mater Eng Perform, 2005, 14( 5) :634 [ 6] Cawley J, M et calf J E P, Jones A H, et al.A tribological study of cobalt chromium molybdenum alloys used in metal-onmetal resurfacing hip arth roplasty .Wear, 2003, 255 ( 2 ) : 999. [ 7] Ting L L, Shih T S .Piston ring friction loss behavi our for mot ored and fired reciprocating engines.Lubr Sci, 1995( 8 ) : 37 [ 8] Zhang K, Tang N Y .On the w ear of a cobalt-based superalloy in zinc baths.Metall Mater Trans A, 2003, 34A( 10) :2387 [ 9] Lee J S, Lee J H, Choi B G, et al.The solidification microstructure and carbide formation behaviors in the cobaltbased superalloy EC Y768.Mater Sci Forum, 2005, 486:3374 [ 10] 曲选辉, 汤春峰, 果世驹, 等.一种火炮用活塞环及其置备 方法:中国专利, 200410029001.5.2005-04-13 [ 11] Medina S F, Hernandez C A .General expression of the Zener-Hollomon on parameter as a function of the chemical composition of low alloy and microalloyed st eels.Acta Mater, 1996, 44( 1) :137 [ 12] 李佃国, 尹法杰, 李长荣.GH674 高温合金的热变形行为. 金属热处理, 2005, 30( 8) :5 Flow behavior of a modified cobalt alloy at high temperature TANG Chunfeng 1, 2) , QU Xuanhui 2) , DUAN Baihua 2) , He X inbo 2) 1) St at e Key Laborat ory for Pow der Met allurgy, Central S outh University, Changsha 410083, China 2) St at e Key Laboratory f or Advanced Metals and Mat erials, Mat erials Science and Engineering School, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China ABSTRACT The isothermal compression deformation behavio r of a modified cobalt alloy w as investigated at temperatures from 850 to 1 150 ℃ with Gleeble -1500 simulation machine.The ex perimental results show that the alloy has excellent high-temperature mechanical properties .Its maximum flow stress at 850 ℃is in the range of 360 ～ 475MPa w hen the strain rate is between 0.0021 and 2.1s -1 .The flow stress of the alloy during high temperature deformation can be described by Zener-Hollomon parameter. KEY WORDS Cobalt-base alloy ;ho t compression deformation ;flow stress ;iso thermal compression test Vol.28 No.6 汤春峰等:新型钴基耐热合金高温流变变形行为 · 545 ·