李成龍，李晴，趙長虹

江蘇隆達(dá)超合金航材有限公司 江蘇無錫 214000

1 序言

GH4145是一種Cr含量較高的時(shí)效強(qiáng)化型鎳基高溫合金，美國牌號(hào)為 Inconel X-750[1-3]。其含有Co、W、Mn、Cr等固溶強(qiáng)化元素，Al、Ti、Nb、Ni是γ′Ni3（Al，Ti）相形成元素，決定合金的時(shí)效沉淀強(qiáng)化特征，而微量元素Mg、Zr、B的加入，起晶界強(qiáng)化作用，特別是Mg元素具有非常好的細(xì)化晶粒作用[4]。GH4145合金得到了廣泛的應(yīng)用，如燃?xì)鉁u輪機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片、葉輪和其他結(jié)構(gòu)件，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推力室，飛機(jī)的反推力裝置，大型高壓容器，以及模具和核反應(yīng)堆等[5-9]。同時(shí)已用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)在800℃以下工作并要求強(qiáng)度較高且耐腐蝕的環(huán)形件、結(jié)構(gòu)件和螺栓等零件，在540℃以下具有良好的抗松弛性能[10，11]。針對(duì)GH4145合金在航空領(lǐng)域且工作溫度≤300℃工況條件下，本文討論了不同固溶溫度對(duì)材料顯微組織和室溫力學(xué)性能的影響，尤其是不同晶粒度對(duì)于室溫拉伸性能的影響，探索了屈服強(qiáng)度拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的晶粒組織，以便為后續(xù)GH4145材料的選取提供技術(shù)支撐。

2 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為GH4145合金，采用真空感應(yīng)熔煉（VIM）＋保護(hù)氣氛電渣重熔（PESR）的冶煉方式，其化學(xué)成分見表1。將合金錠采用自由鍛壓機(jī)進(jìn)行鍛造，加工成φ80mm棒材，成品棒材按表2的制度分別進(jìn)行不同固溶溫度和相同的時(shí)效制度進(jìn)行熱處理。

表1 GH4145合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

對(duì)經(jīng)表2中8種熱處理制度處理后的GH4145合金進(jìn)行金相處理，將固溶和時(shí)效后的材料線切割成10mm×10mm×10mm的試樣，采用不同型號(hào)的砂紙對(duì)平行于棒材縱向截面的試樣表面進(jìn)行打磨，并經(jīng)機(jī)械拋光后，在20g CuSO4＋100mLH2SO4+100mL C2H5OH 溶液中浸蝕60～90s，制得用于觀察顯微組織的試樣，利用光學(xué)顯微鏡OM觀察試樣的顯微組織并用截距法測(cè)得平均晶粒尺寸。檢測(cè)合金室溫拉伸性能和硬度，同時(shí)利用掃描電鏡SEM觀察試樣斷口形貌。

表2 固溶和時(shí)效熱處理制度

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 GH4145合金的顯微組織

GH4145合金棒材通過8種熱處理制度處理后的晶粒度形貌如圖1所示。對(duì)不同固溶溫度試樣的平均晶粒度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖2所示。從圖2可看出，隨著固溶溫度的提高，合金晶粒度也隨之長大，晶粒度的長大拐點(diǎn)在1035～1065℃，但溫度升高到1065℃后晶粒度長大趨勢(shì)逐漸平穩(wěn)。

圖1 GH4145合金不同熱處理制度下試驗(yàn)合金顯微組織

圖2 GH4145合金不同熱處理制度下試驗(yàn)合金晶粒度

3.2 GH4145合金的室溫力學(xué)性能

不同熱處理制度對(duì)應(yīng)的室溫拉伸性能及平均晶粒尺寸的測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 室溫拉伸性能和平均晶粒尺寸

3.3 GH4145合金的斷口形貌

對(duì)以上8種熱處理制度的室溫拉伸試樣進(jìn)行斷口掃描電鏡分析，發(fā)現(xiàn)制度1和制度2的斷口呈“杯錐狀”（見圖3a），制度3～8斷口均呈“沿晶狀”（見圖3b）。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，“杯錐狀”斷口呈2種斷裂區(qū)域，即表層韌窩形的纖維區(qū)和中心脆性剪切唇區(qū)；“沿晶狀”斷口呈典型的脆性沿晶斷裂。同時(shí)“杯錐狀”斷口和“沿晶狀”斷口的屈服強(qiáng)度之間也存在明顯差異。

圖3 室溫拉伸試樣斷口

4 討論

G H4145合金晶粒尺寸與室溫強(qiáng)度關(guān)聯(lián)符合Hall-Petch關(guān)系[12]（ReL＝σ0＋kd-1/2），由于常溫下晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙，因此晶界越多，即晶粒越細(xì)，材料的強(qiáng)度就越高，也就是細(xì)晶強(qiáng)化。從表3可看出，晶粒尺寸越小，強(qiáng)度越高。根據(jù)表3的數(shù)據(jù)，以d-1/2（mm-1/2）為橫軸、以抗拉強(qiáng)度Rm（MPa）為縱軸，做出了晶粒尺寸d與室溫抗拉強(qiáng)度Rm的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線（見圖4）。從圖4可看出，Rm與d-1/2（mm-1/2）基本呈線性關(guān)系。對(duì)圖4進(jìn)行線性回歸，可以看出GH4145合金抗拉強(qiáng)度Rm與晶粒尺寸d的關(guān)系式為

圖4 抗拉強(qiáng)度Rm與等效圓直徑d -1/2的關(guān)系

但是，同樣在對(duì)屈服強(qiáng)度ReL與d-1/2進(jìn)行對(duì)應(yīng)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)二者并不能呈線性關(guān)系。其主要差異是制度2與制度3之間，二者隨著晶粒組織的變化，其抗拉強(qiáng)度相差20%，二者晶粒度差異為平均6.5級(jí)（制度2）與6級(jí)（制度3），因此以6級(jí)晶粒度作為室溫屈服強(qiáng)度的“拐點(diǎn)”。

5 結(jié)束語

1）隨著固溶溫度的升高，晶粒度明顯長大，室溫拉伸強(qiáng)度也隨之降低。

2）室溫抗拉強(qiáng)度與晶粒尺寸的Hall-Petch可用下式表達(dá)：Rm＝938.9＋47d-1/2。

3）室溫屈服強(qiáng)度的拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)6級(jí)晶粒度，當(dāng)晶粒度≤6級(jí)時(shí)，屈服強(qiáng)度呈明顯下降趨勢(shì)。