牛 靜，張凡云，楊樹林，王 蔓，趙 智，劉 晶

（1.中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限責任公司技術(shù)中心，沈陽 110044；2. 中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限責任公司軍代表室，沈陽 110044）

牛 靜

高級工程師，主要從事航空零件熱處理工作。發(fā)表論文10余篇，授權(quán)專利5項，承擔參與科研攻關(guān)20余項。

GH4169合金在650℃以下具有良好的抗熱疲勞、氧化性能、較高的高溫強度和良好的持久性能，被廣泛應用于制造航空發(fā)動機、工業(yè)燃氣輪機等高溫結(jié)構(gòu)部件[1-3]。GH4169合金由 γ基體、γ'、γ''、δ 相和碳化物[4-5]組成，合金的性能主要受 γ'、γ''、δ相的形態(tài)、分布及數(shù)量的影響，不同的加工工藝及熱處理工藝對合金的晶粒度、強化相的沉淀或溶解、析出相的數(shù)量和顆粒尺寸甚至晶界狀態(tài)均可產(chǎn)生影響[6-11]。

發(fā)動機某機匣組合件由GH4169和GH907兩種合金焊接而成，該組合件主要受徑向拉力作用，孔處受力最大，這就要求材料有較高的抗缺口敏感性，該組合件需要采用GH907時效制度進行時效，但是對于采用GH907時效制度對GH4169的力學性能和組織變化的影響，至今沒有相關(guān)研究報道，而研究的內(nèi)容多數(shù)圍繞固溶溫度對GH4169合金性能的影響[12-13]。本文通過采用兩種時效制度對GH4169合金進行熱處理，研究不同時效制度對GH4169合金組織和性能的影響，為組合件制造工序安排提供技術(shù)支持。

試驗方法

本試驗所用試驗材料為GH4169熱軋棒料。金相試樣尺寸為φ20×10mm，力學性能試樣則使用尺寸為φ20×65mm的棒料。將棒料在960℃±10℃，保溫1h進行固溶處理，然后分別采用GH4169和GH907合金的時效制度進行處理。GH4169時效制度為720℃±10℃，保溫8h，然后以55℃/h冷到620℃±10℃，保溫8h，以下簡稱為720℃時效制度，GH907時效制度為775℃±10℃，保溫12h，然后以55℃/h冷到620℃±10℃，保溫8h，以下簡稱為775℃時效制度。熱處理后將65mm棒料加工成標準拉伸和高溫持久試棒，再進行組織和力學性能對比試驗。力學性能包括GH4169合金在室溫和650℃下的拉伸強度、塑性和在650℃條件下保溫20min后進行690MPa強度下的高溫持久性能。

試棒采用圓棒料在HLG-75型空氣爐進行熱處理，采用HB3000布氏硬度機進行硬度試驗，采用AG-50、Z100電子拉力試驗機進行室溫和高溫拉力試驗，采用XD-100高溫持久蠕變試驗機進行持久性能試驗，采用BX51M光學金相顯微鏡和XL-30FEG掃描電子顯微鏡進行晶粒度和顯微組織觀察分析，采用D/max2500Pc型衍射儀（Cu-Ka靶）進行X射線衍射測定相組成。

試驗結(jié)果與討論

1 時效制度對GH4169合金相組成的影響

圖1為720℃時效制度處理后GH4169合金的X射線衍射圖譜，圖2為775℃時效制度處理后GH4169合金的X射線衍射圖譜。

GH4169合金是一種時效硬化的Fe-Cr-Ni基變形高溫合金，由γ基體、γ'、γ''、δ 和 NbC 相組成。從圖 1和圖2的X衍射相分析測試結(jié)果可以看出，在GH4169合金的X射線衍射圖中沒有獨立的γ'、γ''相的衍射峰，不能定量分析 γ'、γ''相的含量，但GH4169合金無論是經(jīng)775℃時效還是720℃時效，相組成一致為γ基體、γ'、γ''、δ和 NbC 相。而 δ相的衍射強度峰值很小，從D/max 2500Pc型衍射儀定量分析精度可以知道，盡管經(jīng)兩種時效處理后其δ相的含量均少于5%，但從放大的衍射鋒值可以看出，經(jīng)775℃較高溫度時效處理后δ相含量略有增加。

2 時效制度對GH4169合金組織的影響

圖3為GH4169合金經(jīng)兩種時效制度處理后的金相組織照片，圖4為GH4169合金經(jīng)兩種時效制度處理后的掃描電鏡形貌。奧氏體晶粒大小的影響是晶界影響的反映，因為晶界是位錯運動的障礙，晶粒越小，晶界越長，位錯運動所需要的應力便越大。從圖3可以看出，經(jīng)過兩種時效制度處理的晶粒度均為10級以上，由于δ相的析出，抑制了奧氏體晶粒的長大，只有在奧氏體完全再結(jié)晶后的加熱過程中，δ相發(fā)生回溶，奧氏體晶粒才能發(fā)生長大。

如圖4所示，經(jīng)720℃標準時效制度處理后，少量δ相以顆粒狀沿晶界析出，大多呈不連續(xù)的短棒狀，γ'、γ''相以細小的圓盤狀分布在基體上；經(jīng)775℃時效制度處理后，γ'、γ''相依然在基體上呈均勻分布，相有長大的趨勢，δ相的析出數(shù)量也有所增加，成不連續(xù)短棒狀沿著晶界或由晶界長向晶內(nèi)。同時，晶內(nèi)也有少量的顆粒狀δ相析出。

3 時效制度對GH4169合金力學性能的影響

圖1 720℃時效制度處理的X射線衍射圖譜Fig.1 XRD spectrum of 720℃ aging treatment

圖2 775℃時效制度處理的X射線衍射圖譜Fig.2 XRD spectrum of 775℃ aging treatment

圖3 GH4169合金不同時效處理后的金相組織Fig.3 Microstructures of GH4169 alloy after different aging heat treatment

圖4 GH4169合金不同時效處理后的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.4 SEM images of GH4169 alloy after different aging heat treatment

表1 室溫/高溫力學性能測試結(jié)果

表1為時效制度對GH4169合金室溫、高溫力學性能的影響，表2為時效制度對GH4169合金光滑、缺口持久性能的影響，表3為時效制度對GH4169合金硬度的影響。從表1中可以看出，經(jīng)775℃時效制度處理后，室溫抗拉強度和屈服強度均有所降低，但延伸率和斷面收縮率沒有發(fā)生變化，650℃條件下的抗拉強度和屈服強度也有所降低，但延伸率和斷面收縮率幾乎沒有發(fā)生變化。

從表2可以看出，經(jīng)775℃時效溫度處理的光滑持久性能比經(jīng)720℃時效溫度處理的光滑持久性能有所降低。經(jīng)兩種時效制度處理的缺口持久性能沒有大的變化，且均遠大于標準中光滑持久性能的最低要求（23h）。說明這兩種時效制度對于GH4169合金均不存在缺口敏感性。

從表3可以看出，GH4169合金經(jīng)775℃時效處理后的硬度比經(jīng)720℃時效處理后的硬度低。

GH4169合金經(jīng)720℃和775℃兩種溫度時效處理后，其顯微組織均為γ基體、彌散的γ'和γ''相、顆粒或短棒狀的δ相、少量NbC、TiN組成。γ''相為主要強化相，屬體心四方有序結(jié)構(gòu)，析出溫度為650～950℃。GH4169合金的強度受γ''相尺寸與數(shù)量的影響，隨時效溫度的升高和時間的延長，γ''相在溫度高于700℃時將向δ相轉(zhuǎn)化；而且隨時效溫度的提高，γ''相尺寸增加，沉淀強化作用減弱。因此合金在經(jīng)775℃時效制度處理后，抗拉強度和屈服強度均較低。

表2 持久斷裂壽命測試結(jié)果

表3 硬度測試結(jié)果（HB）

δ相屬正交結(jié)構(gòu)，析出溫度為700～1000℃，析出峰為900℃。在700～800℃時效時，δ相在晶界以顆粒狀析出，隨時效時間的延長，δ相呈棒狀大量析出。δ相的析出有助于阻止晶內(nèi)裂紋的擴展，同時由于δ相的析出消耗了基體合金元素Nb，使得析出區(qū)的周圍出現(xiàn)了γ'、γ''相的貧化區(qū)，當出現(xiàn)裂紋時裂紋尖端產(chǎn)生的應力集中在γ'、γ''相貧化區(qū)釋放，這樣可以提高合金的缺口持久性能。但析出過量的δ相會消耗較多的Nb，對析出γ''相不利，因此，必須使γ''相和δ相合理匹配，以獲得良好的綜合性能。從表1至表2的性能數(shù)據(jù)可以反映出，時效溫度在720℃提高到775℃時，抗拉強度和屈服強度有所降低，光滑持久和缺口持久性能基本沒有變化，均不存在缺口敏感。

結(jié)論

（1）與GH4169時效處理相比，775℃時效處理使GH4169合金的δ相的析出量有所增加，γ'、γ''相略有長大，但合金的晶粒度沒有發(fā)生變化，均為10級以上。

（2）使用775℃時效制度處理GH4169合金，力學性能有所降低，但不影響GH4169合金的缺口敏感，且力學性能均滿足標準要求。

[1]杜金輝, 呂旭東, 鄧群, 等.GH4169合金研制進展[J]. 中國材料進展,2012,31(12):12-15.

DU Jinhui, Lü Xudong, DENG Qun, et al. Progress in GH4169 alloy development[J].Materials China, 2012,31(12):12-15.

[2]張尊禮, 史鳳嶺, 張凡云, 等. 熱處理制度對GH4169冷軋葉片組織性能的影響[J]. 材料科學與工藝, 2013,21(4):26-31.

ZHANG Zunli, SHI Fengling, ZHANG Fanyun, et al. Effects of heat treatment on structure and mechanical properties of GH4169 cold rolling blade[J]. Materials Science and Technology, 2013,21(4):26-31.

[3]田世藩, 張國慶, 李周, 等.先進航空發(fā)動機渦輪盤合金及渦輪盤制造[J]. 航空材料學報, 2003,23(S):233-238.

TIAN Shifan, ZHANG Guoqing, LI Zhou, et al. The disk superalloys and disk manufacturing technologies for advanced aero engine[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2003,23(S):233-238.

[4]S U N D A R A R A M A N M,MUKHOPADHYAY P, BANERJEE S. Some aspects of the precipitation of metastable intermetallic phases in Inconel 718[J].Metallurgical & Materials Transactions A,1992,23:2015-2028.

[5]AZADIAN S, LIU Y W, WARREN R. Delta phase precipitation in Inconel 718[J].Materials Characterization, 2004,53:7-16.

[6]KUO C M, YANG Y T, BOR H Y, et al. Aging effects on the microstructure and creep behavior of Inconel 718 superalloy[J]. Materials Science and Engineering A, 2009,510-511:289-294.

[7]楊玉榮, 梁學鋒, 蔡伯成, 等. δ相對GH4169合金高溫持久性能的影響[J]. 航空材料學報, 1996,16(2):38-39.

YANG Yurong, LIANG Xuefeng, CAI Bocheng, et al. Effects of δ phase on stressrupture properties of GH4169 alloy[J]. Journal of Aeronautical Materials, 1996,16(2):38-39.

[8]蔡大勇, 張偉紅, 劉文昌, 等.Inconel718合金中δ相溶解動力學及對缺口敏感性的影響[J]. 有色金屬, 2003,55(1):3-5.

CAI Dayong, ZHANG Weihong, LIU Wenchang, et al. Dissolution kinetics of δ phase and effect on notch sensitivity of Inconel 718[J].Nonferrous Metals, 2003,55(1):3-5.

[9]DU J H, Lü X D, DENG Q. Effect of heat treatment on microstructure and mechanical properties of GH4169 superalloy[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2014,43(8):1830-1834.

[10]YEH A C, LU K W, KUO C M, et al.Effect of serrated grain boundaries on the creep property of Inconel 718 superalloy[J]. Materials Science and Engineering A, 2011,530:525-529.

[11]孔永華, 李胡燕, 陳國勝, 等. 熱處理工藝對GH4169合金蠕變性能的影響[J].稀有金屬與硬質(zhì)合金, 2014,42(1):52-56.

KONG Yonghua, LI Huyan, CHEN Guosheng, et al. Effects of different heat treatment on creeping property of GH4169 alloy[J]. Rare Metals and Cemented Carbides, 2014,42(1):52-56.

[12]孔永華, 李龍, 陳國勝, 等. 不同熱處理工藝對GH4169合金組織及性能的影響[J]. 稀有金屬材料與工程, 2010,39(S1):472-474.

KONG Yonghua, LI Long, CHEN Guosheng,et al. Effect of different heat treatments on microstructures and properties of GH4169 alloy[J]. Rare Metals and Cemented Carbides,2010,39(S1):472-474.

[13]王巖, 林琳, 邵文柱, 等. 固溶處理對GH4169合金組織與性能的影響[J]. 材料熱處理學報, 2007,28(S):176-178.

WANG Yan, LIN Lin, SHAO Wenzhu,et al. Effect of solid-solution treatment on microstructure and performance of GH4169 superalloy[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment, 2007, 28(S):176-178.