田沛玉

摘 要：研究了不同原始晶粒組織對(duì)鎳基高溫合金GH738不同溫度拉伸性能及持久性能的影響。分別利用光學(xué)金相顯微鏡（OM）和掃描電鏡（SEM）對(duì)不同原始組織的合金晶粒組織、γ′相分布、拉伸和持久斷口進(jìn)行研究，同時(shí)測(cè)試不同溫度拉伸強(qiáng)度和730℃/550MPa以及815℃/295MPa組合持久性能。結(jié)果表明：隨實(shí)驗(yàn)溫度提高，實(shí)驗(yàn)用GH738合金拉伸斷裂方式由準(zhǔn)解理斷裂向穿晶韌性斷裂最后到穿晶沿晶混合斷裂轉(zhuǎn)變；815℃以下，實(shí)驗(yàn)用合金細(xì)晶組強(qiáng)度和持久壽命最佳，815℃下，三組合金強(qiáng)度和持久壽命幾乎相同，815℃接近實(shí)驗(yàn)用合金的等強(qiáng)溫度。

關(guān)鍵詞：GH738；斷口；等強(qiáng)溫度；γ′相；鎳基高溫合金

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.11.040

GH738合金（Waspaloy），是一種典型的γ′相析出強(qiáng)化型鎳基高溫合金。具有良好的強(qiáng)韌化匹配性、抗疲勞蠕變交互性和高溫長(zhǎng)時(shí)組織穩(wěn)定性等特性，被廣泛應(yīng)用于石油化工、航空航天及各種熱端部件[1-2]。國(guó)內(nèi)該合金前期主要用于地面煙機(jī)渦輪盤(pán)及葉片、航空封嚴(yán)環(huán)及緊固件，近年來(lái)，經(jīng)過(guò)一系列的工藝優(yōu)化，發(fā)展出了滿(mǎn)足航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)用的優(yōu)質(zhì)GH738合金[3]。

GH738合金因其應(yīng)用領(lǐng)域不同，對(duì)其組織狀態(tài)和性能要求也不盡相同[4]。渦輪盤(pán)用GH738合金需考察其強(qiáng)度和疲勞性能，兼顧一定的持久性能；而葉片用GH738合金主要考察其持久及蠕變性能；緊固件用GH738合金需考慮其缺口敏感性和應(yīng)力松弛性能。不同的晶粒組織和γ′相的尺寸、含量及分布均對(duì)GH738合金性能產(chǎn)生很大的影響，本文主要研究三種不同原始晶粒狀態(tài)（細(xì)晶、粗晶和混晶）的GH738合金經(jīng)過(guò)相同條件熱處理后其不同條件下力學(xué)性能變化規(guī)律，為合金在不同領(lǐng)域應(yīng)用選材提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用材料取自鍛態(tài)GH738合金棒材，主要成分見(jiàn)表1。原始顯微組織如圖1（a）～（f）所示。合金原始晶粒組織分為三組，如圖1（a）～（c）所示，細(xì)晶組平均晶粒尺寸為24μm，混晶組約為30%粗晶（約118μm）和70%細(xì)晶（約18μm），粗晶組平均晶粒尺寸為66μm。三組晶粒組織合金對(duì)應(yīng)的基體原始γ′相形貌如圖1（d）～（f）所示，三組合金原始基體γ′相基本無(wú)差異，均存在三種尺寸γ′相，且三種尺寸γ′相均為邊緣帶鋸齒的近似球形，大尺寸一次γ′相約300nm，二次γ′相在80nm左右，更小尺寸的三次γ′相在20nm左右。多種尺寸的γ′相是鍛造及冷卻過(guò)程中γ′相多次爆發(fā)形核及長(zhǎng)大的結(jié)果[5]。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

三種不同晶粒組織的試樣經(jīng)過(guò)1020℃×4h×油冷+845℃×4h×空冷+760℃×16h×空冷處理后，分別觀察晶粒組織、γ′相、不同溫度拉伸和持久性能以及對(duì)應(yīng)斷口變化規(guī)律，拉伸和持久性能取雙樣以排除誤差波動(dòng)干擾。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 熱處理對(duì)顯微組織的影響

經(jīng)過(guò)相同制度的熱處理之后，GH738合金晶粒尺寸如圖2（a）～（f）所示，三組試樣晶粒尺寸基本不變，基體中γ′相經(jīng)過(guò)回溶和再析出后，有兩種尺寸的γ′相，g?相為均勻球形，且三種原始晶粒尺寸的實(shí)驗(yàn)組中γ′相含量、尺寸和分布基本無(wú)差異，一次γ′相均勻分布于晶界和晶內(nèi)，平均尺寸仍為300nm，二次γ′相平均尺寸為45nm，無(wú)更小尺寸的三次γ′相。

說(shuō)明經(jīng)過(guò)相同制度的熱處理后，三組試樣晶粒尺寸基本與鍛態(tài)相同，三組之間析出相無(wú)明顯差異，一次γ′相尺寸相對(duì)鍛態(tài)基本無(wú)變化，二次γ′相尺寸減小，更小更密集的二次γ′相有利于提高合金拉伸強(qiáng)度、持久壽命和疲勞性能[6-7]。

2.2 原始晶粒組織對(duì)拉伸性能的影響

圖3（a）和（b）分別為熱處理后三組試樣的室溫拉伸、535℃拉伸及815℃拉伸性能。隨著拉伸溫度的升高，三組試樣強(qiáng)度逐漸下降，815℃以下，三者強(qiáng)度順序均為σ細(xì)晶>σ混晶>σ粗晶，因混晶組織中18μm細(xì)晶比例約占70%，所以在815℃以下，三組試樣強(qiáng)度遵循Hall-Petch效應(yīng)。而815℃拉伸抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度三組幾乎相同，此時(shí)，三者不再遵循Hall-Petch關(guān)系，初步斷定815℃接近實(shí)驗(yàn)用GH738合金的等強(qiáng)溫度。

圖4（a）～（i）分別為熱處理后三組試樣的室溫拉伸、535℃拉伸及815℃拉伸斷口?？梢钥闯?，室溫下三種組織拉伸試樣斷口均為準(zhǔn)解理斷口，細(xì)晶組準(zhǔn)解理撕裂棱比較小，有大部分穿晶斷裂；粗晶組織斷口撕裂棱較多，但也有部分穿晶斷裂現(xiàn)象；而混晶組織斷口介于兩者之間。室溫下，三組拉伸試樣斷口與晶粒尺寸明顯相關(guān)。535℃拉伸下，三組組織拉伸試樣呈典型的穿晶斷口形貌，但韌窩較細(xì)小，可以看到夾雜物斷裂源。而815℃拉伸條件下，三組試樣拉伸斷口均為穿晶-沿晶混合斷口，且韌窩均為等軸韌窩，粗晶斷口上可以看到部分凸起的晶界。從斷口結(jié)果可以說(shuō)明，室溫及535℃條件下，試驗(yàn)用GH738合金晶界強(qiáng)度高于晶內(nèi)強(qiáng)度，拉伸以準(zhǔn)解理或穿晶方式斷裂，而815℃條件下，三者均以穿晶-沿晶混合方式斷裂，證明此時(shí)晶界與晶內(nèi)強(qiáng)度相當(dāng)，該溫度接近合金的等強(qiáng)溫度。

2.3 原始晶粒組織對(duì)持久性能的影響

圖5為三種組織實(shí)驗(yàn)合金730℃/550MPa、815℃/295MPa組合持久壽命結(jié)果，所測(cè)試的試樣均斷在光滑段，說(shuō)明合金經(jīng)過(guò)上述制度熱處理后，無(wú)缺口敏感性。另外，730℃/550MPa條件下，持久壽命τ細(xì)晶>τ混晶>τ粗晶，而815℃條件下，三者持久壽命相當(dāng)。

蠕變持久變形可通過(guò)多種機(jī)制產(chǎn)生，控制蠕變的形變機(jī)理因試驗(yàn)溫度和應(yīng)力的不同而不同[8]。低溫大應(yīng)力條件下，合金持久蠕變主要變形機(jī)制是晶內(nèi)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)機(jī)制。由2.2節(jié)可知，低于815℃條件下，晶界強(qiáng)度高于晶內(nèi)強(qiáng)度，因此，730℃條件下，合金變形機(jī)制主要為晶內(nèi)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)機(jī)制。該條件下持久壽命受合金強(qiáng)度影響較大，隨粗晶百分比含量的增大，合金強(qiáng)度降低，持久壽命也隨之降低，從圖3和圖4結(jié)果可以看出730℃/550MPa持久壽命與室溫及535℃拉伸強(qiáng)度變化趨勢(shì)基本一致。

高溫低應(yīng)力條件下，合金持久蠕變主要變形機(jī)制是晶界滑動(dòng)。此時(shí)，合金的持久壽命隨粗晶百分比含量的增大而增加。而815℃接近實(shí)驗(yàn)用GH738合金的等強(qiáng)溫度，此時(shí)合金晶界和晶內(nèi)強(qiáng)度相當(dāng)，因此合金持久蠕變變形機(jī)制受晶內(nèi)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和晶界滑動(dòng)的影響程度相當(dāng)，因此，815℃條件下，三組實(shí)驗(yàn)用合金拉伸強(qiáng)度和持久壽命均基本無(wú)差異。

3 結(jié)論

（1）隨溫度升高，實(shí)驗(yàn)用GH738合金拉伸斷裂方式由室溫拉伸的準(zhǔn)解理斷裂轉(zhuǎn)變到535℃拉伸的穿晶韌斷最后到815℃拉伸的穿晶-沿晶混合斷裂。

（2）815℃接近實(shí)驗(yàn)用GH738合金的等強(qiáng)溫度，該溫度下，不同原始晶粒組織合金強(qiáng)度基本相同。815℃以下，合金晶粒組織與強(qiáng)度呈顯著的Hall-Petch關(guān)系。

（3）低溫高應(yīng)力下，GH738合金蠕變持久變形機(jī)制表現(xiàn)為與細(xì)晶強(qiáng)化相一致的晶內(nèi)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)機(jī)制；高溫低應(yīng)力下，其變形機(jī)制逐漸向晶界滑動(dòng)轉(zhuǎn)變。

參考文獻(xiàn)：

[1]TongJ，VermeulenB.Thedescriptionofcyclicplasticityandviscoplasticityofwaspaloyusingunifiedconstitutiveequations[J].InternationalJournalofFatigue，2003（25）：413-420.

[2]董建新，丁利生，王振德.煙氣輪機(jī)渦輪盤(pán)和葉片用WASPALOY合金研究[J].中國(guó)材料科技與設(shè)備，2006（02）：68-73.

[3]榮義，成磊，唐超等.固溶冷卻介質(zhì)對(duì)優(yōu)質(zhì)GH738合金組織及力學(xué)性能的影響[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2016，28（11）：74-78.

[4]姚志浩，董建新，張麥倉(cāng)等.GH864合金顯微組織與力學(xué)性能的關(guān)聯(lián)性[J].稀有金屬材料與工程，2010，39（09）：1565-1570.

[5]MaoJ.Gammaprimeprecipitationmodelingandstrengthresponsesinpowdermetallurgysuperalloy[D].DoctorateofEngineeringDissertation，WestVirginiaUniversity，Morgantown，USA，2002.

[6]楊王玥，強(qiáng)文江等.材料力學(xué)行為[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[7]ChangKeh-minn，LiuXingbo.Effectofγ'contentonthemechanicalbehavioroftheWaspaloyalloysystem[J].MaterialsScienceandEngineeringA，2001（308）：1-8.

[8]C.Devadas.TheThermalandMetallurgicalStateofSteelStripduringHotRolling：Part3[J].MicrostructualEvolution.MetallurgicalTransactionsA，2006（22）：335-342.