不同熔煉工藝生產的GH4169高溫合金棒組織和性能研究

1、序言

GH4169是一種Ni-Cr-Fe基沉淀硬化型變形高溫合金，在650℃以下具有較高的強度和塑性、良好的抗疲勞和耐蝕性，是目前航空航天領域應用最為廣泛的高溫合金[1-3]。生產過程主要包括熔煉、均勻化處理、開坯鍛造、熱處理和機加工等工序[4]，其中第一步的熔煉十分關鍵，將直接影響后續的工序，熔煉工藝的選擇需要在嚴格保證化學成分精確的前 提下，綜合考慮應用對象、顯微組織、力學性能及生產成本等因素[5]。因此，本文研究并討論不同熔煉工藝生產的GH4169合金組織和性能的特點，為實際生產中合理地制定熔煉工藝提供參考。

2、試驗材料與方法

2.1 試驗材料

試驗采用的是江蘇隆達超合金航材有限公司分別通過雙聯熔煉工藝：真空感應熔煉（VIM）+真空自耗重熔（VAR），三聯熔煉工藝：真空感應熔煉（VIM）+氣氛保護電渣重熔（ESR）+真空自耗重熔（VAR）生產的GH4169合金φ430mm鑄錠，經均勻化處理后，使用4500t快鍛機開坯鍛造成φ220mm毛坯棒材，再車加工成φ200mm成品棒材，其化學 成分見表1。

2.2 試驗方法

在成品棒材頭部截取厚度為20mm的圓片，采用線切割沿圓片半徑的邊緣R/2、中心處取樣作為金相試樣，拉伸棒坯在R/2處取樣，如圖1所示。

試樣采用GH4169合金標準的熱處理工藝：固溶處理為加熱至960℃，保溫1h，空冷；時效處理為加熱至720℃，保溫8h，然后以50℃/h爐冷至620℃，保溫8h，空冷。

金相試樣的檢測位置對應圓片的徑軸向，經熱鑲、研磨、拋光后，使用20m L鹽酸+20m L乙醇+1.5g硫酸銅進行化學腐蝕，采用ZEISS AxioImager A2m金相顯微鏡觀察顯微組織，使用ZEISSProImaging后處理軟件統計晶粒度。拉伸棒坯經機加工成標準試樣，按GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》、GB/T228.2—2015《金屬材料 拉伸試驗 第2部分：高溫試驗方法》分別進行室溫拉伸試驗和高溫拉伸試驗。

3、試驗結果

3.1 顯微組織

雙聯熔煉和三聯熔煉工藝生產的棒材邊緣、R/2、中心的顯微組織如圖2、圖3所示。

從圖2可看出，雙聯熔煉工藝生產的棒材邊緣呈現細小再結晶圍繞著變形拉長晶的不均勻組織，3.5級的晶粒占70%，9.5級的晶粒占30%。R/2處和中心處主要是均勻的等軸晶，R/2處晶粒度為9級，氮化物輕微偏聚。中心處晶粒度為7.5級，一些晶粒內部伴有孿晶。

從圖3可看出，三聯熔煉工藝生產的棒材各部位主要是均勻的動態再結晶組織，邊緣處晶粒度為10級，R/2處和中心處的晶粒度均為9.5級。雙聯和三聯熔煉工藝生產的棒材，沿晶界都有少量的δ相析出。

3.2 力學性能

雙聯和三聯熔煉工藝生產的棒材的室溫和高溫拉伸性能見表2。從表2可看出，三聯熔煉工藝生產的棒材的屈服強度和抗拉強度均高于雙聯熔煉工藝。

4、討論

雙聯和三聯熔煉工藝都采用了真空感應熔煉和真空自耗重熔，真空感應熔煉能夠得到組織致密、優質高純的電極棒，真空自耗重熔可以減輕鋼錠中Nb偏析[6]。三聯熔煉工藝中的保護氣氛電渣重熔使用氬氣將高溫電極及液態渣池與空氣隔離，有效降低了電渣錠中的氮含量，因此顯微組織中氮化物少，合金的純潔度高。研究表明，經固溶和時效熱處理后，基體中析出的細小γ＂強化相提高了合金強度，沿晶界析出的δ相能夠起到釘扎作用，阻礙晶粒的長大，促進動態再結晶的生成，因此雙聯和三聯熔煉工藝生產的棒材，室溫和高溫拉伸性能均滿足技術要求。

5、結束語

1）相比于雙聯熔煉工藝，三聯熔煉工藝生產的GH4169合金顯微組織中氮化物少，純潔度高，組織均勻。

2）經固溶和時效熱處理后，三聯熔煉工藝生產的棒材，屈服強度和抗拉強度優于雙聯熔煉工藝。

參考文獻：

[1] 王巖，邵文柱，甄良.GH4169合金δ相的溶解行為及對變形機制的影響[J].中國有色金屬學報，2011，21（2）：341-349.

[2] 杜金輝，呂旭東，鄧群，等.固溶處理對IN718合金組織和力學性能的影響[J].稀有金屬材料與工程，2017，46（9）：2359-2365.

[3] 王建國，劉東，楊艷慧.GH4169合金非均勻組織在加熱過程中的演化機理[J].金屬學報，2016，52（6）：707-716.

[4] 田世藩，張國慶，李周，等.先進航空發動機渦輪盤合金及渦輪盤制造[J].航空材料學報，2003（S1）：233-238.

[5] 張勇，李佩桓，賈崇林，等.變形高溫合金純凈熔煉設備及工藝研究進展[J].材料導報，2018，32（9）：1496-1506.

[6] 趙長虹，張玉春，楊玉軍，等.真空自耗錠生產工藝對GH4169合金組織和力學性能的影響：“動力與能源用高溫結構材料——第十一屆中國高溫合金年會”論文集[C].北京：冶金工業出版社，2007：131-134.

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