程體娟，甘 斌，于鴻垚，周海晶，郭彩玉，畢中南，杜金輝

(1.鋼鐵研究總院 高溫材料研究所，北京 100081；2.高溫合金新材料北京市重點(diǎn)實驗室，北京 100081；3.北京鋼研高納科技股份有限公司，北京 100081)

鎳基高溫合金由于具有優(yōu)越的高溫強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度、良好的抗高溫氧化性、抗腐蝕性能以及抗疲勞性能等，被廣泛運(yùn)用于航空航天領(lǐng)域高溫結(jié)構(gòu)部件，如航空發(fā)動機(jī)的葉片、渦輪盤等[1]。隨著航空發(fā)動機(jī)的迅猛發(fā)展，渦輪前進(jìn)氣口溫度不斷提高，對鎳基高溫合金的高溫性能提出了新的要求和挑戰(zhàn)[1]。目前具有較高承溫能力的渦輪盤用合金(U720Li、ME3和LSHR等)是具有γ/γ′相微觀結(jié)構(gòu)的高溫合金，其中γ相(Ni3(Al, Ti))為面心立方結(jié)構(gòu)的基體相，γ′相為具有L12結(jié)構(gòu)的有序沉淀強(qiáng)化相，γ′相對合金高溫強(qiáng)度的貢獻(xiàn)超過70%[2]。γ′相作為鎳基高溫合金重要的強(qiáng)化相，其形貌、尺寸、分布與合金成分和固溶處理制度存在密切聯(lián)系。其中固溶溫度、固溶時間、冷卻方式等都將影響γ′相的最終析出狀態(tài)。張冬梅等[3]研究了不同固溶溫度下γ′相的分布情況，指出固溶溫度對γ′相的分布會產(chǎn)生較大影響，隨著固溶溫度的降低，γ′相分布更均勻，合金的顯微硬度和屈服強(qiáng)度大幅提高。陳佳語等[4]研究了不同固溶時間對γ′相的影響，結(jié)果表明適當(dāng)延長固溶時間，基體中的γ′相尺寸減小。此外，文獻(xiàn)[5-8]指出冷卻速度對γ′相尺寸也有著重要影響，冷卻速度越快，γ′相析出的尺寸越小，力學(xué)性能越好。固溶處理制度主要影響鎳基高溫合金中γ′相的析出狀態(tài)，從而影響合金的力學(xué)性能，針對某種新型鎳基高溫合金，研究出較優(yōu)的固溶處理制度將對γ′相的析出產(chǎn)生關(guān)鍵影響。

因此，本文設(shè)計了一種應(yīng)用于850 ℃以下的新型沉淀強(qiáng)化型鎳基高溫合金，研究了固溶時間和冷卻方式對試驗合金中γ′相尺寸及分布的影響，進(jìn)一步結(jié)合組織分析研究了對γ′相硬度和強(qiáng)度的影響，探討了γ′相強(qiáng)化機(jī)理，有助于為該新型合金固溶工藝的優(yōu)化設(shè)計提供思路。

1 試驗材料與方法

試驗材料取自鍛態(tài)試樣，其由真空感應(yīng)熔煉(VIM)+保護(hù)氣氛電渣重熔(ESR)+真空自耗重熔(VAR)的三聯(lián)冶煉工藝、高溫均勻化工藝、鐓拔開坯工藝等制備而成，其化學(xué)成分見表1。鍛態(tài)試樣中的γ′相顯微組織如圖1所示，可以看出，鍛態(tài)試樣中存在粗大的一次γ′相。

表1 新型鎳基高溫合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖1 鍛態(tài)試樣中γ′相的SEM形貌

采用線切割從鍛態(tài)試樣取φ3 mm×1 mm差示掃描量熱試樣進(jìn)行DSC測試，以表征γ′相的回溶溫度來確定試樣合適的固溶溫度，結(jié)果如圖2所示。結(jié)果顯示粗大的γ′相回溶溫度在1077.8 ℃附近，因此，固溶溫度可設(shè)置為1080 ℃。取10 mm×10 mm×5 mm固溶處理試樣若干，使用節(jié)能箱式熱處理爐(SX-G04133)對其進(jìn)行固溶處理，固溶制度：1080 ℃分別固溶5 min、30 min、1、2、16和64 h，空冷/水冷。

圖2 鍛態(tài)試樣的DSC測試

對固溶處理后的試樣依次進(jìn)行打磨、機(jī)械拋光和化學(xué)腐蝕后，采用光學(xué)顯微鏡(OM，Olympus GX71)對其組織進(jìn)行表征，其中化學(xué)腐蝕溶液成分配比為1.5 g CuCl2+20 mL HCl+20 mL C2H5OH，時間為2 min。SEM試樣打磨拋光后須經(jīng)電解拋光與腐蝕處理，其中電解拋光電壓為20 V，時間為6 s，溶液體積配比為20%HCl+80%CH3OH，電解腐蝕電壓為4.5 V，時間為8 s，溶液配比為170 mL H3PO4+10 mL H2SO4+15 g CrO3，再用場發(fā)射掃描電鏡(SEM，JEOL 7800F)觀察表征γ′相形貌，并用Image Pro Plus 6.0軟件測量γ′相平均尺寸。試樣硬度采用顯微硬度計(HXS-1000A)進(jìn)行測試，載荷砝碼為200 g。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 空冷條件下固溶時間對γ′相尺寸的影響

圖3是試驗合金在1080 ℃下分別固溶不同時間后空冷至室溫的γ′相顯微組織?？梢钥闯?，鍛態(tài)組織中粗大的一次γ′相已完全固溶于基體中，在隨后的冷卻過程中重新析出球狀、細(xì)小的γ′相。在1080 ℃下分別固溶5 min、30 min、1 h時，試樣中的γ′相尺寸無明顯變化，尺寸分別約為51、47和56 nm，如圖3(a～c)所示。隨著固溶時間逐漸延長，γ′相尺寸逐漸減小，其中固溶2 h和16 h的γ′相尺寸分別約為21 nm和24 nm，如圖3(d，e)所示。圖3(f)為固溶時間達(dá)到64 h后的γ′相顯微組織，其尺寸約為7 nm。可以看出，γ′相隨著固溶時間的延長其尺寸先保持不變，直至2 h時γ′相尺寸迅速減小，進(jìn)一步延長固溶時間直到16 h也未明顯發(fā)生變化，但是當(dāng)固溶時間為64 h時，γ′相尺寸又進(jìn)一步大幅降低。

圖3 試驗合金在1080 ℃下固溶不同時間后的γ′相顯微組織(空冷)

2.2 水冷條件下固溶時間對γ′相尺寸的影響

圖4為試驗合金在1080 ℃下分別固溶不同時間后水冷至室溫的γ′相顯微組織?？梢钥闯?，隨著固溶時間的延長，γ′相尺寸在固溶5 min、30 min、1 h基本保持恒定，分別約為11、12和12 nm，當(dāng)固溶時間為 2 h 和16 h時，γ′相尺寸分別約為9 nm和7 nm，當(dāng)固溶時間為64 h，γ′相尺寸降至5 nm左右。整體變化過程與空冷過程中隨固溶時間延長γ′相尺寸的變化趨勢基本保持一致。但相較于空冷下的γ′相尺寸，水冷條件下其尺寸更小，對比圖3(a)與圖4(a)可知，水冷下的γ′相尺寸減小約40 nm，這是由于在該固溶溫度下，γ′相回溶進(jìn)入基體中形成過飽和固溶體基體，在隨后的冷卻過程中重新形核析出，相較于空冷的冷速較低，水冷條件下的冷速高，過冷度大，故γ′相臨界形核尺寸更小[9]。此外，水冷條件下較高的冷速降低了原子擴(kuò)散速率，減緩了γ′相的長大，使其最終尺寸較小。

圖4 試驗合金在1080 ℃下固溶不同時間后的γ′相顯微組織(水冷)

通過以上觀察表明，試驗合金在1080 ℃固溶、空冷和水冷條件下，延長固溶時間，析出γ′相尺寸減小。鄭亮等[10]曾報道在固溶處理過程中，長時間固溶處理會減小或降低元素偏析，γ′相相變溫度發(fā)生改變。為了研究γ′相在不同固溶時間下是否存在γ′相相變溫度的改變，導(dǎo)致γ′相尺寸發(fā)生變化，于是采用DSC試驗方法研究了試驗合金在1080 ℃下固溶30 min(空冷)、64 h(空冷)、30 min(水冷)以及64 h(水冷)試樣中γ′相的相變溫度，結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?，γ′相相變溫度分別為1079.5、1079.1、1079.9和1077.6 ℃，相變溫度基本一致，也與鍛態(tài)試樣DSC結(jié)果1077.8 ℃比較一致。盡管在1080 ℃固溶溫度下延長固溶時間并未使得γ′相的相變溫度發(fā)生改變，但由于一次γ′相完全回溶入基體中，短時固溶導(dǎo)致γ′相形成元素Al、Ti含量在基體內(nèi)分布不均勻，然而隨著固溶時間的延長Al、Ti元素分布更加均勻，從而影響了γ′相重新形核析出及后續(xù)長大過程。

圖5 試驗合金在1080 ℃下固溶不同時間后的γ′相相變溫度

2.3 固溶時間和冷卻方式對硬度值的影響

試驗合金在1080 ℃下分別固溶不同時間后空冷、水冷至室溫的硬度測試結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯觯绽鋾r，固溶64 h后的試樣硬度值為305.9 HV0.2，相較于固溶16 h后的試樣硬度值425.2 HV0.2，硬度降低約119.3 HV0.2；水冷時，固溶64 h后的試樣硬度值為256.5 HV0.2，相較于固溶16 h后的試樣硬度值348.7 HV0.2，硬度降低約92.2 HV0.2，兩種冷卻方式下固溶64 h的試樣硬度值均顯著下降。眾所周知，晶粒度對合金的室溫力學(xué)性能有著重要影響[11]，因此，對試驗合金在1080 ℃下固溶16 h(空冷)，以及固溶16 h和64 h(水冷)試樣進(jìn)行顯微組織表征，如圖7所示，并依據(jù)GB/T 6394—2002《金屬平均晶粒度測定法》進(jìn)行晶粒度評級，結(jié)果表明其晶粒度分別為2.5級、2級、2級，在誤差范圍內(nèi)認(rèn)為晶粒度一致，因此排除了晶粒度對硬度值的影響，說明硬度值的差異主要與固溶64 h時γ′相尺寸較小有關(guān)。從圖6還可以看出，相較于水冷試樣，空冷試樣的硬度值更大，這與空冷和水冷下γ′相尺寸變化趨勢相似，空冷下γ′相尺寸更大，而水冷下γ′相尺寸更小。Mao等[12]曾報道冷卻速度更快，γ′相更細(xì)小，強(qiáng)度更高，而本試驗中冷卻速度更快，γ′相更細(xì)小，但硬度值更小，該現(xiàn)象可能是由于γ′相均勻形核并長大過程中γ′相強(qiáng)度較低且與基體保持共格關(guān)系，此時位錯切割通過γ′相，隨著γ′相尺寸增加，切割阻力變大，硬度值增加。

圖6 試驗合金的硬度值隨固溶時間、冷卻方式的變化

圖7 試驗合金在1080 ℃下固溶不同時間后的光學(xué)顯微組織

強(qiáng)度和硬度都是材料的重要性能，在加工硬化金屬材料中，強(qiáng)度與硬度服從3倍經(jīng)驗關(guān)系，即硬度HV與強(qiáng)度σy符合下列關(guān)系式[13-14]：

HV≈3σy

(1)

在本試驗中，在固溶64 h時空冷和水冷試樣的硬度值都發(fā)生了大幅度下降。如前所述，空冷時，1080 ℃下固溶64 h的硬度值相較于固溶16 h的降低約119.3 HV0.2，由強(qiáng)度與硬度的關(guān)系可知，試驗合金在空冷條件下的強(qiáng)度在固溶64 h后降低約395 MPa。類似地，水冷時，固溶64 h的硬度值相較于固溶16 h的降低約92.2 HV0.2，其強(qiáng)度相應(yīng)的降低約300 MPa。因此，為了提高試驗合金的力學(xué)性能，在應(yīng)用過程中建議避免該合金在γ′相完全回溶溫度以上長時間固溶，固溶時間應(yīng)小于16 h，冷卻方式宜選擇空冷，此時試驗合金中的γ′相分布均勻，尺寸大于20 nm，合金硬度值高于425 HV0.2；為了避免試驗合金由于γ′相的影響，在快速冷卻過程中引起開裂現(xiàn)象，建議該合金在γ′相完全回溶溫度以上進(jìn)行長時間固溶處理，固溶時間可大于64 h，此時可選擇水冷的冷卻方式。

3 結(jié)論

1)新型鎳基高溫合金鍛態(tài)樣品中粗大的γ′相回溶溫度在1077.8 ℃附近，固溶溫度宜選取1080 ℃。該試驗合金在空冷條件下，固溶時間分別為5 min、30 min、1 h時，基體中γ′相尺寸分別約為51、47和56 nm，當(dāng)固溶時間為2 h和16 h時，γ′相尺寸分別約為21 nm和24 nm，固溶64 h后γ′相尺寸降至7 nm左右。隨著固溶時間的延長，γ′相的尺寸在一段時間內(nèi)保持不變，但總體尺寸減小。

2)水冷結(jié)果與空冷結(jié)果相似，均隨著固溶時間的延長，γ′相尺寸在一段時間內(nèi)保持不變，但總體尺寸減小，其中固溶時間分別為5 min、30 min、1 h時，基體中γ′相尺寸分別約為11、12、12 nm，當(dāng)固溶時間為2 h和16 h時γ′相尺寸分別約為9 nm和7 nm，固溶64 h后 γ′相尺寸降至5 nm左右。

3)相較于水冷試樣，空冷試樣中的γ′相尺寸大于水冷試樣的γ′相尺寸，同時空冷試樣硬度值也顯著大于水冷試樣的硬度值。試驗合金為獲得較高的力學(xué)性能，固溶時間應(yīng)小于16 h，冷卻方式宜選擇空冷，此時試驗合金中的γ′相分布均勻，尺寸大于20 nm，合金硬度值高于425 HV0.2；為避免該合金在快速冷卻過程中開裂，建議該合金在γ′相完全回溶溫度以上進(jìn)行長時間固溶處理，固溶時間可大于64 h，此時可選擇水冷。