胡仁民,信 欣

(1.寶武特種冶金有限公司,上海 200940; 2.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所,遼寧 沈陽(yáng) 110016)

高溫合金因其良好的高溫強(qiáng)度和抗氧化抗腐蝕,優(yōu)異的抗疲勞和抗蠕變性能、斷裂性能和組織穩(wěn)定性而廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪葉片、導(dǎo)向葉片、渦輪盤和燃燒室等零部件[1-3],其中變形高溫合金GH4169經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的不斷改進(jìn)和發(fā)展,目前已成為產(chǎn)量最大、使用面最廣的一種鎳基合金[4-6]。

GH4169合金是一種鐵—鎳—鉻基變形高溫合金,合金組織由γ基體,δ相,碳化物和強(qiáng)化相γ″、γ′等組成,在-253～650 ℃得到廣泛的應(yīng)用[7]。Ni是形成γ奧氏體基體元素;Cr在GH4169合金中的含量較高,達(dá)到17.0%～21.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同),可增加合金的抗腐蝕和抗氧化能力;Mo、Co為固溶強(qiáng)化元素;Nb、A1、Ti為時(shí)效強(qiáng)化元素,加入Nb可形成Ni3Nb型體心四方結(jié)構(gòu)的γ″相以及加入Al和Ti形成Ni3(Al,Ti)型面心立方結(jié)構(gòu)的γ′相,由于Al和Ti含量較低,兩者之和僅為1.05%～1.85%,所以γ′相的數(shù)量較少,同時(shí)Nb含量較高,達(dá)到4.75%～5.50%,故γ″相是決定GH4169合金強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。因此,研究Nb 元素含量對(duì)合金組織和拉伸性能的影響對(duì)提高GH4169 合金工藝性具有重要指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)方法及結(jié)果

1.1 試驗(yàn)方法

采用真空感應(yīng)爐冶煉不同Nb含量的GH4169合金4爐,鑄錠重25 kg,4爐合金的成分分析如表1所示,主要是Nb含量不同,其他元素含量基本相同。鑄錠經(jīng)過(guò)均勻化處理后,鍛造成40 mm×40 mm的方截面坯料,并進(jìn)一步1火次熱軋制成φ17 mm的軋棒。為了消除其他因素對(duì)Nb作用的干擾,需保持4爐合金的各種加工工藝相同。

表1 試驗(yàn)合金的化學(xué)成分

在軋棒上切取金相和力學(xué)性能試樣,進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的固溶+時(shí)效熱處理,熱處理制度為:965 ℃×1 h,AC+720 ℃×8 h,FC(50K/h)+620 ℃×8 h,AC。熱處理后的拉伸試棒加工成標(biāo)準(zhǔn)的M10×57 mm拉伸試樣,采用金相顯微鏡(OM)和掃描電鏡(SEM)對(duì)固溶+時(shí)效樣品進(jìn)行了組織觀察,測(cè)試了室溫和650 ℃拉伸性能。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

1.2.1 組織變化

合金試樣的軋態(tài)組織如圖1所示。由圖1可知,軋態(tài)合金晶粒為均勻的等軸晶,再結(jié)晶狀況良好,晶粒度為ASTM 11級(jí)。合金經(jīng)過(guò)965 ℃固溶處理后,由于Nb含量的降低減少了起晶界“釘扎”作用的δ相,另一方面,固溶處理時(shí)心部的冷卻速率最慢,從而導(dǎo)致4.99% Nb合金在軋棒心部可觀察到少量的晶粒長(zhǎng)大區(qū)域,晶粒約長(zhǎng)大為ASTM6級(jí),大部分區(qū)域晶粒未見(jiàn)長(zhǎng)大,如圖2(a)所示。其他Nb含量合金的軋棒未見(jiàn)晶粒長(zhǎng)大,如圖2(b)～(d)所示。合金經(jīng)過(guò)固溶+時(shí)效處理后,晶粒度變化情況與固溶處理后的情況無(wú)明顯變化,值得注意的是,隨著Nb含量的增加,合金晶界析出相δ明顯增多,見(jiàn)圖3。

對(duì)低Nb(4.99%)和高Nb(5.50%)的合金軋態(tài)和熱處理態(tài)的試樣進(jìn)行了掃描電鏡觀察,如圖4、5所示。兩個(gè)合金在軋態(tài)時(shí),由于軋制溫度高且軋制后規(guī)格小,冷卻快,故晶界析出相極少,而且尺寸極小,晶內(nèi)也未見(jiàn)析出相,如圖4所示。經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)固溶+時(shí)效處理后,由于δ相含Nb,所以低Nb合金的晶界δ相析出數(shù)量和尺寸明顯少于高Nb合金,如圖5所示,晶內(nèi)析出相低Nb合金尺寸也略小于高Nb合金,如圖5(a)、(b)所示。上述結(jié)果表明,Nb元素的增加促進(jìn)了δ相、γ″相的析出和長(zhǎng)大。

1.2.2 性能變化

不同Nb含量合金標(biāo)準(zhǔn)固溶+時(shí)效態(tài)室溫拉伸和650 ℃拉伸性能如表2和表3所示。拉伸結(jié)果表明,由于Nb含量的增加促進(jìn)了強(qiáng)化相γ″相的析出,故室溫拉伸和650 ℃的拉伸強(qiáng)度隨Nb含量的增加逐漸增加,拉伸塑性則變化不明顯。

表2 室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表3 650 ℃拉伸試驗(yàn)結(jié)果

1.2.3 拉伸斷口觀察

對(duì)低Nb的1#合金和高Nb的4#合金的室溫拉伸和650 ℃拉伸斷口進(jìn)行了觀察,結(jié)果如圖6、7所示。由圖可見(jiàn),低Nb合金和高Nb合金的拉伸斷口都為典型的杯錐形斷口,斷口由心部的裂紋萌生擴(kuò)展區(qū)和邊緣的瞬斷區(qū)兩部分組成,兩者無(wú)顯著差別。對(duì)裂紋萌生擴(kuò)展區(qū)高倍觀察可見(jiàn),室溫拉伸和650 ℃拉伸斷口都呈韌窩型斷裂,塑性變形特征明顯,在部分韌窩處可見(jiàn)碳化物,這種組織為典型的孔洞聚集型斷裂,即裂紋萌生擴(kuò)展于晶內(nèi),試樣斷裂主要與晶內(nèi)強(qiáng)度有關(guān)。

由組織觀察結(jié)果可知,Nb促進(jìn)了晶內(nèi)γ″相的析出和長(zhǎng)大,而晶內(nèi)γ″相的狀態(tài)對(duì)晶內(nèi)強(qiáng)度至關(guān)重要,因此Nb可改善合金的拉伸性能,這顯然與拉伸性能的測(cè)試結(jié)果是一致的。

1.2.4 相圖計(jì)算結(jié)果

為了驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果,利用Thermal-Cal 軟件對(duì)GH4169合金的析出相進(jìn)行了計(jì)算,其中Nb元素在4.99%～5.50%變化,其他元素如表1中的成分,計(jì)算結(jié)果如圖8 所示。由圖可見(jiàn),隨著Nb 元素含量從4.99%增加至5.50%,強(qiáng)化相γ″質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨溫度的降低、Nb元素含量的升高而升高,其中在650 ℃由14.3%提高至15.6%。本研究中,Nb 元素含量高達(dá)5.50%,高Nb顯著促進(jìn)強(qiáng)化相γ″的析出,與試驗(yàn)結(jié)果吻合。

2 結(jié)論

(1) 隨Nb元素含量的增加,GH4169合金晶界δ相和晶內(nèi)γ″相的析出量增加。

(2) 隨Nb元素含量的增加,GH4169合金室溫拉伸強(qiáng)度增加,室溫拉伸塑性略有降低。

(3) 隨Nb元素含量的增加,GH4169合金650℃拉伸強(qiáng)度增加,但650 ℃拉伸塑性幾乎無(wú)變化。

(4) 對(duì)于強(qiáng)度要求相對(duì)高的情形,建議Nb含量控制在5.25%～5.50%。