田秦冠 李旻希 姚萬春

（中國航發(fā)成都發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，四川成都 610503）

GH4169D的成功研制彌補(bǔ)了650℃使用的GH4169和750℃使用的GH738之間存在的空白[1]。該合金是在GH4169的基礎(chǔ)上降低Fe，加入W和Co，調(diào)整了Al、Ti的含量和比例，適當(dāng)調(diào)整了Nb含量及P等微量元素。由于Al、Ti比例發(fā)生變化，GH4169D合金主要強(qiáng)化相由GH4169的γ"變成了γ'，高溫穩(wěn)定性能比GH4169更好，由于Co元素的增加使γ'/γ錯(cuò)配度減小穩(wěn)定性增加，其長期使用溫度可以達(dá)到700℃。GH4169D中γ'相析出較慢使其具有良好的焊接性能，該合金兼具了GH4169材料的強(qiáng)度，使其成為未來航空發(fā)動(dòng)機(jī)頗具潛力的關(guān)鍵材料。

GH4169D合金是以面心立方的γ'相沉淀強(qiáng)化的鎳基高溫合金，以前人們認(rèn)為它與GH4169一樣，在其晶界附近會(huì)析出δ相，但是經(jīng)過王民慶等[2]人研究，已經(jīng)確定了GH4169D合金中晶界析出相為具有η-Ni3Ti結(jié)構(gòu)的Ni3Al0.5Nb0.5，也就是說GH4169D是一種全新的高溫合金。

我們在產(chǎn)品試制過程中出現(xiàn)基體材料GH4169D的零件，在經(jīng)過1040℃釬焊后按材料標(biāo)準(zhǔn)檢測力學(xué)性能，缺口持久性能以及拉伸性能不合格的問題。針對該問題進(jìn)行故障分析，找到了不合格的原因，并制定了相應(yīng)的工藝改進(jìn)措施，通過工藝試驗(yàn)驗(yàn)證了措施有效。

1.問題描述

零件材料GH4169D，加工工藝路線為：鍛件（固溶態(tài)）-粗加工-消除加工應(yīng)力-精加工-釬焊（蜂窩環(huán)材料GH3536，焊料B-Ni82CrSiB）-時(shí)效。時(shí)效后隨爐試樣檢測力學(xué)性能檢測，室溫拉伸、高溫拉伸不合格，持久試驗(yàn)不合格試樣斷于缺口處，按技術(shù)條件要求，試樣應(yīng)斷于光滑處，如表1和表2所示。

表1 持久不合格試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 拉伸強(qiáng)度不合格數(shù)據(jù)

2.故障原因分析及改進(jìn)

2.1 零件加工過程情況

經(jīng)查加工記錄，零件加工過程符合工藝文件要求。鍛件固溶狀態(tài)交付，鍛件驗(yàn)收將固溶態(tài)附鍛試樣進(jìn)行時(shí)效后，按鍛件技術(shù)條件進(jìn)行化學(xué)成分、力學(xué)性能，低倍組織、顯微組織、晶粒度均合格。釬焊工藝1040℃保溫10min～15min，氬氣冷卻。釬焊后時(shí)效熱處理工藝788℃保溫8h15min，以規(guī)定的冷卻速率降溫至700℃保溫8h15min然后氬氣冷卻。零件的加工過程符合工藝規(guī)程和相關(guān)技術(shù)條件要求。

2.2 持久不合格試樣分析情況

對試樣進(jìn)行斷口掃描電鏡分析。宏觀斷口形貌為沿晶斷裂。對斷口附近進(jìn)行金相分析，可以看出裂紋是沿晶呈現(xiàn)沿晶裂紋，而且晶界和晶內(nèi)η相含量非常少。

就像δ相對GH4169合金的組織性能會(huì)產(chǎn)生重要的調(diào)節(jié)作用，η相也對GH4169D合金力學(xué)性能及缺口敏感性產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，不同的熱處理制度獲得不同的力學(xué)性能。合金中η相的含量與缺口敏感性有關(guān)系，而合金中η相的含量及形貌與合金所經(jīng)歷的熱加工有關(guān)。王民慶等[3]人在研究718PLUS合金相組成時(shí)候發(fā)現(xiàn)η相質(zhì)量分?jǐn)?shù)由7.3%降低約3%，相應(yīng)的γ'相質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)由20%增加至24%。隨著η相含量的降低合金的拉伸強(qiáng)度和持久性能會(huì)有所上升，但當(dāng)η相相當(dāng)?shù)蜁r(shí)，合金就會(huì)出現(xiàn)高溫持久缺口敏感性，這對于結(jié)構(gòu)件來說是不允許出現(xiàn)的情況。因?yàn)棣窍嗤瑯邮窃诰Ы缥龀觯鹪斔梅乐共牧细邷貢r(shí)候晶粒度長大，而且由于該相的析出必然導(dǎo)致附近區(qū)域γ'相減少，降低晶界附近的強(qiáng)度，于是有利于晶界附近的發(fā)生晶界滑動(dòng)，避免出現(xiàn)高溫持久缺口敏感性。

而我們的材料釬焊工藝的加熱工藝為階段升溫至1040℃并保溫10min～15min，我們在釬焊后的材料金相中發(fā)現(xiàn)，晶界很少存在η相或者完全沒有，因此我們認(rèn)為零件出現(xiàn)缺口不合格的原因是由于釬焊溫度過高（1040℃），等于或者超過了GH4169D材料η相的完全熔解溫度，在釬焊加熱保溫過程中合金中的η相熔解。正是因?yàn)槿鄙倭司Ы绂窍嗟脑數(shù)茸饔?，?dǎo)致裂紋沿晶界擴(kuò)展阻力減小，最終材料出現(xiàn)高溫持久缺口敏感性，導(dǎo)致缺口持久試驗(yàn)不合格。為了使材料中η相重新析出，我們參照標(biāo)準(zhǔn)中預(yù)處理溫度860℃～880℃，在選定溫度下保溫適當(dāng)時(shí)間然后空冷。然后重新調(diào)整零件加熱工藝路線，即鍛件（固溶態(tài)）-粗加工-消除加工應(yīng)力-精加工-釬焊-預(yù)處理-重新固溶-時(shí)效。

在釬焊后重新固溶熱處理前參照標(biāo)準(zhǔn)選擇了870℃進(jìn)行加熱保溫，由于η相的析出會(huì)導(dǎo)致晶界附近γ'相得減少而影響材料室溫及高溫強(qiáng)度，如果太少則無法起到避免缺口敏感性的效果，所以我們進(jìn)行了大量試驗(yàn)采用不同保溫時(shí)間的工藝驗(yàn)證，最終確定了材料釬焊后重新固溶熱處理前預(yù)處理保溫時(shí)間為4h。經(jīng)過改進(jìn)后的方案進(jìn)行熱處理，材料缺口持久性能符合了標(biāo)準(zhǔn)的要求，如表3所示。

表3 增加870℃保溫處理后的持久力學(xué)性能

2.3 室溫及高溫強(qiáng)度不合格試樣分析及改進(jìn)措施分析

雖然缺口持久性能符合了標(biāo)準(zhǔn)要求，但是室溫及高溫拉伸性能仍然不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。這是由于釬焊溫度超過了η相的溶解溫度，在釬焊繼續(xù)保溫時(shí)候就會(huì)由于晶界缺少第二相而出現(xiàn)晶粒迅速長大的情況，眾所周知根據(jù)Hall-Petch公式，材料的屈服強(qiáng)度與晶粒度尺寸倒數(shù)的平方根成正比，因此經(jīng)理細(xì)化技能提高材料的強(qiáng)度，而且還會(huì)提高材料塑性，同時(shí)也能顯著提高其他的力學(xué)性能，反之晶粒粗化則材料強(qiáng)度和塑性均會(huì)相應(yīng)地降低。

為了使拉伸性能符合標(biāo)準(zhǔn)的要求，我們可以從2個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)，第一是降低釬焊溫度或保溫時(shí)間，使釬焊溫度低于η相的溶解溫度，從而保持晶界第二相的存在以阻止晶粒的長大趨勢，并且可以避免缺口敏感。由于晶粒隨著保溫時(shí)間的延長以及溫度的提高而出現(xiàn)長大的趨勢，但是從晶粒長大動(dòng)力學(xué)可知，溫度升高導(dǎo)致的材料晶粒度長大的趨勢遠(yuǎn)高于保溫時(shí)間延長而長大的趨勢，而且降低現(xiàn)行釬焊時(shí)間會(huì)影響釬料潤濕效果而影響釬焊質(zhì)量，所以我們僅考慮了降低釬焊溫度的措施。由于現(xiàn)行使用的釬焊溫度已經(jīng)是選擇了釬料的最低釬焊溫度，要降低釬焊溫度只能重新選擇釬料，通過該材料的使用溫度重新對釬料進(jìn)行選擇，可以改變?yōu)榻鸹F料以滿足該要求。第二則是提前考慮釬焊溫度下晶粒長大趨勢，嚴(yán)格控制原始材料及鍛件的晶粒度等級，留有晶粒度長大趨勢或預(yù)留晶粒長大強(qiáng)度降低的工藝窗口，使釬焊保溫后晶粒度以及強(qiáng)度仍然符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。

在對以上2種方式進(jìn)行工藝過程評估時(shí)我們計(jì)算了2種工藝方法的綜合成本，由于金基釬料太貴，通過提高原材料晶粒度所增加的成本遠(yuǎn)低于金基釬料購買的成本，所以我們決定對原材料原始晶粒度以及強(qiáng)度進(jìn)行控制。

通過工藝試驗(yàn)驗(yàn)證，我們對原材料晶粒度進(jìn)行了加強(qiáng)控制，大量的工藝試驗(yàn)表明最終制定材料原始晶粒度最低應(yīng)為6級。此時(shí)在經(jīng)過釬焊后，晶粒度長大仍然符合標(biāo)準(zhǔn)的要求，而且釬焊后材料室溫及高溫強(qiáng)度均符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。經(jīng)過提高原材料晶粒度改進(jìn)措施及增加870℃保溫處理后的室溫及高溫拉伸性能如表4所示。

表4 經(jīng)過改進(jìn)措施及增加870℃保溫處理后的拉伸性能

3.結(jié)論

（1）通過故障分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，零件缺口持久不合格的原因是釬焊溫度為1040℃，使晶界η相熔解，材料出現(xiàn)缺口敏感性導(dǎo)致缺口持久。

（2）通過對釬焊后的試樣在870℃保溫4h然后重新進(jìn)行固溶時(shí)效，晶界處重新析出了η相，試樣經(jīng)測試缺口持久力學(xué)性能合格，不再存在缺口敏感性。

（3）GH4169D材料可以通過調(diào)整熱加工工藝獲得形貌、數(shù)量和分布不同的η相，從而使材料獲得不同的力學(xué)性能。

（4）為了使最終室溫拉伸及高溫拉伸性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求，釬焊前控制材料晶粒度最低為6級，在釬焊后晶粒有所長大，力學(xué)性能有所降低但仍然符合標(biāo)準(zhǔn)要求。