譚海兵 李姝 王靜 汪亮亮 朱昌洪 王沖 劉康康 黃爍 鐘燕

（1.中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，四川成都610500；2.東北大學材料科學與工程學院，遼寧沈陽110819；3.鋼鐵研究總院高溫材料研究所，北京100081）

GH4099合金是一種沉淀強化型高溫合金，可用于900℃下長期服役的大型焊接承力構(gòu)件，短時使用溫度可達1000℃，已用于航空發(fā)動機加力筒體焊接零件［1-2］。GH4099合金中含有總量約16%（質(zhì)量分數(shù)，下同）的W、Mo、Co等固溶強化元素，3.3%左右的Al、Ti等時效強化元素和微量的B、Ce等晶界強化元素，因此具有較高的熱強性和組織穩(wěn)定性［1-2］，以及良好的熱加工塑性和焊接性能。

化學成分確定的情況下，熱處理工藝將對合金的顯微組織和力學性能產(chǎn)生重要影響［3-4］。針對鎳基高溫合金，國內(nèi)外學者在通過熱處理工藝來獲得理想的顯微組織進而提高合金力學性能方面開展了大量的研究。文獻［5-7］研究了不同熱處理工藝對鎳基單晶高溫合金的碳化物、γ′相等顯微組織和力學性能的影響，文獻［8-10］研究了不同熱處理工藝對鎳基鑄造高溫合金顯微組織和力學性能的影響，文獻［11-19］研究了不同固溶熱處理、時效熱處理對鎳基變形高溫合金的晶粒度、碳化物、γ′相等顯微組織和力學性能的影響，這些研究均表明，熱處理工藝對鎳基合金力學性能和顯微組織的影響十分顯著。

針對GH4099合金的相關(guān)研究工作主要集中于冷軋板材方面，包括Al、Ti含量和不同固溶溫度對冷軋板材高溫拉伸、高溫持久和晶粒度的影響［1，11-12，19-20］。然而，環(huán)鍛件采用熱軋成型，其成型方式對顯微組織和力學性能的影響與冷軋工藝相比有較大差異。生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，GH4099合金環(huán)鍛件的顯微組織和力學性能對固溶溫度十分敏感，秦升學等［21-22］的研究中提到，合金晶粒尺寸以及γ′相形態(tài)、分布和大小都與固溶溫度有著密切的關(guān)系，然而固溶溫度對GH4099合金持久壽命的影響規(guī)律及原因鮮有報道，因此需要開展系統(tǒng)的研究，為生產(chǎn)工藝優(yōu)化提供理論和數(shù)據(jù)支撐。

文中以GH4099合金環(huán)鍛件為研究對象，分析了固溶溫度對合金顯微組織和力學性能的影響，測試了不同固溶溫度下合金的室溫硬度和高溫持久性能，并討論了相應的影響規(guī)律和機制。

1 實驗

1.1 實驗材料及試劑

文中選用的GH4099合金的主要化學成分見表1。

表1 GH4099合金的化學成分Table 1 Chemical composition of GH4099 alloy

實驗材料在真空感應爐中熔煉成直徑為406mm的鑄錠，隨后采用電渣重熔工藝制備成直徑為406mm的鑄錠，經(jīng)高溫均勻化處理后，用快鍛機開坯、鍛造，制備成直徑為250mm的棒材，再利用壓機鐓餅、沖床沖孔、碾環(huán)機環(huán)軋成外徑為400 mm、內(nèi)徑為300mm、高度為100mm的環(huán)鍛件。其后，將環(huán)鍛件剖分為相等的3部分，采用SX-1300℃箱式爐將試樣分別加熱到1080、1100和1120℃進行固溶處理，保溫1h后空冷至室溫。將固溶后的試樣在900℃下進行時效處理，保溫5h后空冷至室溫。

1.2 實驗方法

將固溶、時效處理后的試樣分別制備成10mm×10 mm×10 mm的金相試樣，經(jīng)機械研磨、拋光后，用5g氯化銅+100mL鹽酸+100mL乙醇配制的溶液蝕刻30～60 s。采用GX71型奧林巴斯金相顯微鏡對處理后的試樣進行顯微組織觀察，采用日本電子公司生產(chǎn)的JSM-7200F型場發(fā)射掃描電鏡觀察碳化物的形態(tài)及大小分布。經(jīng)機械研磨、拋光后，在20 V的電壓下使用20%硫酸+80%甲醇腐蝕液蝕刻5～8 s，然后在5 V的電壓下使用150 mL磷酸+10 mL硫酸+15g三氧化鉻腐蝕液蝕刻3～5s。采用JSM-7200F型場發(fā)射掃描電鏡觀察γ′析出相的具體特征。試樣經(jīng)機械研磨、拋光后，使用日本JEOL公司生產(chǎn)的JXA-8350F型場發(fā)射電子探針顯微分析儀進行面掃描，用于微觀元素分析。

采用截線法按照GB/T 6394—2002進行晶粒度評級；按照GB/T 231.1—2018進行布氏硬度測試，各測試3個點后取平均值；按照GB/T 2039—2012進行高溫持久性能測試，試樣有效段尺寸為φ5mm×25 mm，各測試2個有效試樣后取平均值。采用JMatpro軟件計算合金凝固過程與熱力學平衡條件下的第二相析出種類及其對應的化學成分組成。利用Image-Pro Plus圖像分析軟件統(tǒng)計γ′相的體積分數(shù)和大小。

2 結(jié)果與討論

2.1 固溶溫度對顯微組織的影響

圖1為GH4099合金在不同固溶溫度下的金相組織。對圖1（a）所示1 080℃固溶和圖1（b）所示1 100℃固溶的試樣進行分析，發(fā)現(xiàn)晶粒度級數(shù)為6.5級，晶粒尺寸均勻；而圖1（c）所示1120℃固溶試樣中出現(xiàn)了混晶現(xiàn)象，且晶粒尺寸較1 080℃固溶和1100℃固溶試樣的更大，平均晶粒度級數(shù)為5級。該現(xiàn)象與文獻［19-20］中隨固溶溫度的提高板材晶粒長大的結(jié)論一致。

GH4099合金主要以γ′相沉淀強化和W、Mo元素固溶強化，文中采用掃描電子顯微鏡（SEM）分析了固溶溫度為1080、1100和1120℃時試樣的γ′相形貌（見圖2）和分布情況。采用Image-Pro Plus圖像分析軟件分別對圖2所示圖像進行統(tǒng)計分析，結(jié)果顯示，3種固溶溫度下，γ′相的體積分數(shù)分別為30.1%、31.0%和29.9%，平均尺寸分別為47.3、48.5和49.3nm，并且分布較為分散、均勻，說明固溶溫度對合金中γ′相的尺寸、含量和分布影響不大。

GH4099合金在以γ′相沉淀強化的同時，還會析出MC、M23C6兩種類型的碳化物和M3B2型硼化物進行補充強化［2］。不同固溶溫度下試樣的晶內(nèi)碳化物SEM背散射電子形貌如圖3所示。可見，1080℃固溶和1100℃固溶的試樣均含有白亮色的顆粒狀碳化物，且前者數(shù)量略多于后者，而1120℃固溶試樣中顆粒狀碳化物的數(shù)量明顯減少。背散射電子形貌的襯度與第二相的元素組成相關(guān)，組成元素的原子序數(shù)越大，則第二相的襯度越白、越亮。

圖1 不同固溶溫度下試樣的金相組織Fig.1 Metallographic structure of samples after solution treatment at different temperatures

圖2 不同固溶溫度下試樣γ′相的SEM二次電子形貌（50 000倍率）Fig.2 Secondary electron morphology ofγ′phase of samples after solution treatment at different temperatures（with a magnification of 50 000）

表2列出了利用JMatpro軟件計算獲得的GH4099合金中不同類型碳化物及硼化物的組成。由表可知，MC型碳化物富含C、Ti和W元素，M23C6型碳化物富含C、Cr和Mo元素，M3B2型硼化物富含B、Cr和Mo元素。根據(jù)碳化物、硼化物元素種類及含量的不同，并結(jié)合C、Cr和Mo元素面掃描結(jié)果分析，可以鑒定GH4099合金的第二相種類。

圖3 不同固溶溫度下晶內(nèi)碳化物的SEM背散射電子形貌（500倍率）Fig.3 Backscattered electron morphology of intragranular carbides of samples after solution treatment at different temperatures（with a magnification of 500）

圖4 不同固溶溫度下碳化物EPMA元素面分布結(jié)果（5 000倍率）Fig.4 EPMA element surface distribution mappings of carbides of samples after solution treatment at different temperatures（with a magnification of 5000）

1 080℃和1 100℃固溶試樣中碳化物的電子探針顯微分析（EPMA）元素面分布結(jié)果如圖4所示，晶界碳化物和晶內(nèi)碳化物分布分別如圖4（b）、4（e）中白色箭頭所指，右側(cè)顏色條帶由上到下表示該元素濃度逐漸降低，由C、Cr、Mo元素分布可見，無論是晶界碳化物還是晶內(nèi)碳化物，都富集此3種元素。結(jié)合表2結(jié)果綜合分析可知，圖3（a）和圖3（b）中所示的亮白色顆粒相為晶內(nèi)M23C6型碳化物。

表2 GH4099合金中碳化物和硼化物的組成Table 2 Composition of carbides and borides of GH4099 alloy

由圖3可知，1 080℃固溶試樣晶內(nèi)M23C6型碳化物的平均直徑約為2.5μm，1 100℃固溶試樣晶內(nèi)M23C6型碳化物的平均直徑約為1.5μm，1 120℃固溶試樣中幾乎無晶內(nèi)M23C6型碳化物。圖5所示為利用JMatpro計算獲得的GH4099合金中碳化物和硼化物的相圖，可見M23C6型碳化物在溫度超過1090℃后會全部回溶。1 100℃固溶試樣與1 080℃固溶試樣相比，其M23C6型碳化物顆粒尺寸變小，數(shù)量減少，原因是固溶溫度超過回溶溫度（1090℃）后，在固溶處理的短時保溫過程中發(fā)生了部分回溶。此外，合金在900℃時效處理后，M23C6型碳化物還會再析出。對比圖4可見，1100℃固溶試樣與1080℃固溶試樣的晶界上還會析出富Cr元素的M23C6型碳化物。

圖5 GH4099合金中碳化物和硼化物的相圖Fig.5 Phase diagrams of carbide and boride of GH4099 alloy

圖6 所示為不同固溶溫度的晶界碳化物的SEM二次電子形貌，可見3種固溶溫度試樣的晶界上均分布著鏈狀的M23C6型碳化物。對比可知：1 100℃固溶試樣與1 120℃固溶試樣的晶界M23C6型碳化物含量較多，且晶界呈現(xiàn)出彎曲狀；而1 080℃固溶試樣晶界M23C6型碳化物含量較少，晶界較為平直；隨著固溶溫度的升高，晶界上的M23C6型碳化物顆粒含量逐漸增加，且鏈狀形貌更為明顯。

圖6 不同固溶溫度下晶界碳化物的SEM二次電子形貌（5000倍率）Fig.6 SEM secondary electron morphology of grain boundary carbide of samples after solution treatment at different temperatures（with a magnification of 5000）

2.2 固溶溫度對力學性能的影響

鍛件試樣經(jīng)1080、1100、1120℃固溶處理后，平均布氏硬度（HB）分別為285、280、277。由前文的顯微組織分析可知，1 100℃固溶試樣的晶內(nèi)M23C6數(shù)量較1080℃固溶試樣的少，當1120℃固溶處理時，試樣晶內(nèi)M23C6碳化物幾乎全部回溶，失去了碳化物的補充強化作用，導致硬度降低。GH4099合金中碳化物對強度強化的貢獻只占總強度的2%～3%，γ′相沉淀強化的貢獻占總強度的45%～64%［20］，而合金經(jīng)3種不同固溶溫度處理后試樣的主要強化相γ′相的形貌和數(shù)量并無明顯差異。因此，隨固溶溫度的升高，試樣硬度雖表現(xiàn)出下降的趨勢，但下降幅度較少。

對3種固溶溫度下的試樣進行900℃/150 MPa高溫持久壽命試驗，測試結(jié)果見表3。由表3可知，固溶溫度在1 100℃和1 120℃時的高溫持久壽命平均值較1 080℃時的增加了約21 h，提高幅度達81.9%。

表3 不同固溶溫度下試樣的持久性能Table 3 Rupture properties of samples after solution treatment at different temperatures

選取1080℃固溶的持久壽命為24.70h、1100℃固溶的持久壽命為45.00 h、1 120℃固溶的持久壽命為46.60 h的持久斷口試樣進行顯微組織分析，結(jié)果如圖7所示，持久試樣斷口附近的晶粒呈拉長形貌，晶界存在大量的孔洞，表明GH4099合金高溫持久試樣的裂紋萌生和擴展主要為沿晶開裂。

固溶溫度為1080℃和1100℃時，晶粒內(nèi)部和晶界均存在M23C6型碳化物。由圖6可知，1080℃固溶試樣的晶內(nèi)碳化物數(shù)量多于1100℃固溶試樣，但晶界碳化物少于1 100℃固溶試樣；當固溶溫度為1120℃時，晶內(nèi)顆粒狀的M23C6型碳化物幾乎全部回溶，在時效過程中基本全部以鏈狀形貌析出在晶界上。晶界上析出鏈狀的M23C6型碳化物可使晶界彎曲，進而起到阻礙晶界紋萌生和擴展的作用［23-24］。因而，1 100℃和1 120℃固溶試樣的持久壽命明顯高于1 080℃固溶試樣。然而，1 120℃固溶試樣發(fā)生了混晶現(xiàn)象，不利于顯微組織和力學性能的均勻控制。因此，對于采用熱軋工藝制備的GH4099合金環(huán)鍛件，最佳的固溶處理溫度為1100℃。

圖7 不同固溶溫度下持久試樣的斷口剖面金相組織Fig.7 Metallographic structure of rupture life fracture section of samples after solution treatment at different temperatures

3 結(jié)論

文中開展了固溶溫度對環(huán)軋工藝生產(chǎn)的GH4099合金環(huán)鍛件顯微組織、硬度和高溫持久壽命的影響規(guī)律研究，得到以下結(jié)論：

1）1080℃和1100℃固溶試樣的晶粒度級別均為6.5級，1120℃固溶試樣的晶粒度級別為5.0級，且出現(xiàn)混晶現(xiàn)象；

2）3種固溶溫度對γ′相的尺寸和數(shù)量影響不大，晶內(nèi)顆粒狀M23C6型碳化物在1 100℃以上的固溶溫度下發(fā)生回溶，時效處理后以鏈狀形態(tài)在晶界處析出，使晶界由1 080℃固溶試樣的平直狀變?yōu)?100℃和1120℃固溶試樣的彎曲狀；

3）合金硬度隨著固溶溫度的升高略微降低，由于晶界處鏈狀M23C6型碳化物的析出，相較于1 080℃固溶試樣，1 100℃和1 120℃固溶試樣的持久壽命顯著提升。