改型GH4133A合金長(zhǎng)期時(shí)效的性能穩(wěn)定性研究

張冬梅，國(guó)振興，楊樹林，史鳳嶺，王玉華

(1.中航工業(yè) 沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī) (集團(tuán))有限責(zé)任公司，沈陽 110043; 2.中國(guó)人民解放軍 駐黎明公司軍代表室，沈陽 110043)

改型GH4133A合金長(zhǎng)期時(shí)效的性能穩(wěn)定性研究

張冬梅1，國(guó)振興1，楊樹林2，史鳳嶺1，王玉華1

(1.中航工業(yè) 沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī) (集團(tuán))有限責(zé)任公司，沈陽 110043; 2.中國(guó)人民解放軍 駐黎明公司軍代表室，沈陽 110043)

對(duì)經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)熱處理改型GH4133A合金，在650、700和750℃進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的時(shí)效處理，測(cè)量其室溫拉伸和沖擊性能、硬度、400℃拉伸性能和在750℃/343 MPa條件下持久性能.結(jié)果表明:在650℃和700℃下時(shí)效時(shí)，合金的性能變化規(guī)律一致，性能具有良好的穩(wěn)定性.而在750℃時(shí)效時(shí)，合金的室溫拉伸和400℃拉伸性能在時(shí)效500 h以前保持穩(wěn)定，500 h以后隨時(shí)效時(shí)間的增長(zhǎng)而下降;合金的室溫沖擊性能在時(shí)效300 h以前保持穩(wěn)定，300 h后下降;合金在750℃/343 MPa條件下，在時(shí)效600 h以前，持久性能壽命很穩(wěn)定，基本保持在100 h左右，時(shí)效600 h以后的持久壽命迅速下降.

改型GH4133A合金;長(zhǎng)期時(shí)效;性能穩(wěn)定性

改型GH4133A高溫合金是在GH4133基礎(chǔ)上，適當(dāng)提高合金元素Al和Ti的含量，并添加合金元素Nb發(fā)展而成的一種以Ni－Cr固溶體為基體，以γ'相為主要強(qiáng)化相，經(jīng)過時(shí)效強(qiáng)化并且增加了微量元素Mg和Zr的新型鎳基合金.該合金屈服強(qiáng)度高，并且有較高的熱強(qiáng)性、良好的綜合性能和足夠的抗氧化性能［1，2］.改型GH4133A合金屬于耐高溫的強(qiáng)韌化材料，多用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的Ⅰ、Ⅱ級(jí)渦輪盤材料.該合金的工作溫度為650～ 700℃，環(huán)境十分惡劣，為了保證合金有長(zhǎng)期的使用壽命和安全可靠性，合金必須具備足夠的組織和性能穩(wěn)定性［3，4］.為此，在前期對(duì)改型GH4133A合金在長(zhǎng)期時(shí)效過程中的組織行為特征的研究基礎(chǔ)上［5］，本文對(duì)改型GH4133A合金長(zhǎng)期時(shí)效的性能穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，以便更好地認(rèn)識(shí)該類合金性能變化特點(diǎn)，對(duì)改型GH4133A高溫合金的安全使用提供理論支持和科學(xué)依據(jù).

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為采用非真空感應(yīng)爐加電渣重熔雙聯(lián)工藝生產(chǎn)的90 mm方鍛材，其化學(xué)成分如表1所示.材料長(zhǎng)期時(shí)效試驗(yàn)前均進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)熱處理(1 080±10℃×8 h，空冷+750℃±10℃ ×16 h，空冷)，其標(biāo)準(zhǔn)熱處理后的力學(xué)性能和技術(shù)條件見表2所示.根據(jù)合金的使用溫度，長(zhǎng)期時(shí)效的試驗(yàn)溫度選擇為650、700和750℃，時(shí)效時(shí)間為50、100、300、500、600、1 000和2 000 h.

考慮合金常規(guī)性能和綜合性能的要求，力學(xué)性能主要測(cè)試合金的室溫拉伸性能、室溫沖擊性能、硬度、400℃拉伸性能和在750℃/343 MPa條件下的持久性能等.

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the tested material(mass fraction) %

表2 合金標(biāo)準(zhǔn)熱處理后的力學(xué)性能和技術(shù)條件Table 2 The technical condition and properties of GH4133A alloy after standard heat－treatment

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 650℃長(zhǎng)期時(shí)效過程中力學(xué)性能的變化

表3為改型GH4133A高溫合金650℃長(zhǎng)期時(shí)效過程中力學(xué)性能的變化.可以看出，合金的室溫拉伸強(qiáng)度(σb、σ0.2)在時(shí)效1 000 h以前不僅沒有下降，反而上升，峰值出現(xiàn)在600～1 000 h.σb隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)而上升，1 000 h后緩慢下降，時(shí)效2 000 h后，σb仍相當(dāng)于正常熱處理時(shí)σb的水平(正常熱處理后的σb為1 196 MPa);屈服強(qiáng)度隨著時(shí)效時(shí)間增長(zhǎng)至峰值后下降，時(shí)效2 000 h后的σ0.2稍微低于正常熱處理后的806 MPa;合金的室溫拉伸塑性(δ、ψ)在整個(gè)時(shí)效區(qū)間隨時(shí)效時(shí)間的加長(zhǎng)平緩下降，但經(jīng)2 000 h時(shí)效后，合金的δ和ψ略微比正常熱處理后的值低.從表3的室溫拉伸性能指標(biāo)可以看出，塑性的下降與強(qiáng)度的提高相對(duì)應(yīng).

從表3可以看出，合金室溫沖擊aK值在時(shí)效1 000 h以前保持不變，這正是合金強(qiáng)度的提高和塑性下降共同作用的結(jié)果.時(shí)效1 000 h后，因合金拉伸強(qiáng)度的下降，使得合金的aK值也趨下降;合金的硬度在長(zhǎng)期時(shí)效過程中下降甚微，幾乎保持正常熱處理的硬度值不變.

在400℃拉伸時(shí)，合金的σb隨時(shí)效時(shí)間的增長(zhǎng)上升，1 00 h時(shí)效前 σb上升較快，100 h至1 000 h時(shí)效區(qū)間σb基本穩(wěn)定，時(shí)效1 000 h以后σb有下降趨勢(shì)，但至2 000 h時(shí)效σb仍高于合金正常狀態(tài)的最高強(qiáng)度(1 098 MPa);合金正常熱處理后在400℃拉伸的σ0.2為752 MPa，σ0.2在時(shí)效100 h以前是上升的，而300 h以后則平緩下降.這一點(diǎn)與σb的變化規(guī)律不同，時(shí)效2 000 h，σ0.2和合金正常狀態(tài)的σ0.2相等;合金的400℃拉伸δ5和ψ在時(shí)效的全過程中緩慢下降，在100 h至1 000 h時(shí)效區(qū)間，合金的塑性曲線比較平穩(wěn)，2 000 h時(shí)效以后，合金400℃拉伸塑性也變化不大，δ5和ψ仍分別為21%和28%.

對(duì)于在750℃/343 MPa條件下的持久性能，合金的光滑持久壽命和塑性在50～1 000 h時(shí)效區(qū)間均隨著時(shí)效時(shí)間的增加而提高，100 h時(shí)效合金的持久壽命為130 h，1 000 h時(shí)效后持久壽命為150 h.從表3可以看出，合金在650℃下長(zhǎng)期時(shí)效，其持久性能穩(wěn)定，時(shí)效1 000 h以后，合金持久壽命稍有下降，但經(jīng)2 000 h時(shí)效后合金持久壽命仍為80 h左右.δ5和ψ在1 000 h時(shí)效以前有所提高，1 000 h時(shí)效，δ5和ψ均在4%以上，2 000 h時(shí)效的δ5和ψ仍然為2%和3%左右.

GH4133A合金在650℃長(zhǎng)期時(shí)效過程中的性能變化與組織變化密切相關(guān)，根據(jù)對(duì)合金的組織的研究［5］，GH4133A合金在650℃長(zhǎng)期時(shí)效過程中，其組織穩(wěn)定.γ'相在時(shí)效過程中補(bǔ)充析出，1 000 h時(shí)效γ'相顆粒不長(zhǎng)大.晶界面上的相由薄片狀、大樹枝晶狀的M4B3和顆粒狀的M23C6隨時(shí)效時(shí)間加長(zhǎng)向顆粒狀M23C6轉(zhuǎn)變.1 000 h后晶界上為細(xì)小顆粒的M23C6.從而合金各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)隨時(shí)效時(shí)間的增長(zhǎng)有所提高，塑性指標(biāo)幾乎保持不變.1 000 h時(shí)效后合金性能隨組織變化有所變化，合金各項(xiàng)性能指標(biāo)2 000 h時(shí)效后仍大大超過技術(shù)條件的要求.

表3 GH4133A合金650于℃長(zhǎng)期時(shí)效的性能Table 3 The properties of GH4133A alloy after aging at 650℃ for different time

2.2 700℃長(zhǎng)期時(shí)效合金力學(xué)性能的變化

表4顯示了GH4133A合金在700℃長(zhǎng)期時(shí)效過程中力學(xué)性能的變化.從表4可以看出，室溫拉伸的σb在100 h以前隨時(shí)效時(shí)間的增長(zhǎng)上升(正常熱處理后的σb為1 196 MPa)，至100 h時(shí)效σb為1 265 MPa，100 h至2 000 h時(shí)效，合金的斷裂強(qiáng)度基本不變;屈服強(qiáng)度在時(shí)效的全過程保持正常熱處理狀態(tài)水平(正常熱處理后屈服強(qiáng)度806 MPa);δ5和ψ由正常狀態(tài)的30%和33%均勻下降至22%;由于強(qiáng)度不變，aK變化規(guī)律和拉伸塑性相同，2 000 h時(shí)效的aK值為34.3 J/cm2;合金的硬度在時(shí)效過程中不變.

合金400℃拉伸σb和σ0.2隨時(shí)效時(shí)間的增長(zhǎng)呈上升趨勢(shì).2 000 h時(shí)效σb和σ0.2分別比正常熱處理(值分別為1 098 MPa和752 MPa)的高出118 MPa和78 MPa;δ5在時(shí)效過程中均勻下降，2 000 h時(shí)效δ5值和650℃的一樣;ψ在100 h時(shí)效前有些下降，而在100 h以后平緩上升，到2 000 h時(shí)ψ值和原態(tài)相等.

700℃長(zhǎng)期時(shí)效，合金的持久性能很穩(wěn)定.與650℃時(shí)效比較有一明顯特點(diǎn)，即在整個(gè)時(shí)效過程中合金的持久壽命緩慢下降，1 000 h時(shí)效不產(chǎn)生突變，時(shí)效2 000 h持久壽命仍為90 h這樣高的水平;持久塑性(δ5、ψ)在100 h至1 000 h時(shí)效區(qū)間恒定不變，1 000 h后稍有下降.

根據(jù)對(duì)合金組織的研究［5］，GH4133A合金在700℃長(zhǎng)期時(shí)效過程中組織是穩(wěn)定的.γ'相在時(shí)效過程中補(bǔ)充析出，M23C6含量增加.1 000 h合金晶界略有加寬，2 000 h時(shí)效后γ'相顆粒變大.300 h時(shí)效晶界面上為顆粒M23C6，細(xì)小枝晶狀相已很少，1 000 h后M23C6顆粒已較大.從而合金各項(xiàng)性能指標(biāo)在時(shí)效的全過程中基本上保持不變，2 000 h時(shí)效后性能仍大大超過技術(shù)條件的要求.

表4 GH4133A合金700℃長(zhǎng)期時(shí)效的性能Table 4 The properties of GH4133A alloy after aging at 700℃ for different time

2.3 750℃長(zhǎng)期時(shí)效合金力學(xué)性能的變化

表5顯示了GH4133A合金在750℃長(zhǎng)期時(shí)效的力學(xué)性能的變化.合金在高的溫度下長(zhǎng)期時(shí)效，不僅使得晶界形態(tài)以及強(qiáng)化相顆粒尺寸發(fā)生變化，而且合金產(chǎn)生相變，所以合金性能的變化比較復(fù)雜.

從表5可以看出，在室溫下拉伸變形時(shí)，合金抗拉強(qiáng)度σb在時(shí)效500 h以前基本上保持穩(wěn)定，500 h以后隨時(shí)效時(shí)間的增長(zhǎng)而下降，時(shí)效2 000 h后的σb降到1 098 MPa;σ0.2總的來看比σb下降快一些，500 h以前緩慢下降，500 h以后下降較快;δ5、ψ在500 h以前保持穩(wěn)定，500 h后略有下降，時(shí)效600 h的δ5、ψ均為22%左右，更長(zhǎng)的時(shí)效，合金的δ5和ψ保持不變.這是因?yàn)楹辖鹪?50℃下時(shí)效500～600 h時(shí)，新相析出使得合金性能下降［5］.

合金的室溫沖擊aK值在時(shí)效300 h以前保持恒定，300 h后下降，時(shí)效500 h至2 000 h的aK值基本保持穩(wěn)定，可見aK對(duì)組織的變化更為敏感，合金的硬度隨時(shí)效時(shí)間的增長(zhǎng)下降.由于γ'相長(zhǎng)大的速度較大［5］，所以該溫度下時(shí)效時(shí)合金硬度下降比650℃、700℃為快.

合金在400℃拉伸時(shí)，σb在時(shí)效500 h以前基本穩(wěn)定，500 h以后稍有下降;σ0.2在500 h時(shí)效以前緩慢下降，500 h以后下降較快;而δ5的值在600 h至2 000 h時(shí)為22%，500～600 h時(shí)效沒有突變點(diǎn);ψ變化規(guī)律和δ5差不多，但在時(shí)效500 h有下降的突變點(diǎn)，使得ψ比δ5在更長(zhǎng)的時(shí)效時(shí)低，這是因?yàn)樾孪嗟奈龀鰧?duì)400℃拉伸塑性的ψ更有所影響.

合金高溫下長(zhǎng)期工作首先要考慮合金的持久壽命.GH4133A合金時(shí)效600 h以前，在750℃/ 343 MPa條件下的持久性能仍很穩(wěn)定，基本保持在100 h左右，但在合金出現(xiàn)新的相后，持久性能下降，600 h以后的持久壽命迅速下降，1 000 h時(shí)效后合金的持久壽命只有30 h左右.持久的δ5和ψ值變化規(guī)律一樣，在500 h以前均隨時(shí)效時(shí)間的增加而有所上升，500 h時(shí)效后塑性因新相析出而下降，600 h出現(xiàn)最低點(diǎn)，但在 600 h至2 000 h時(shí)效區(qū)間，δ5和ψ值卻迅速上升.

根據(jù)對(duì)合金的組織的研究［5］，GH4133A合金在750℃下長(zhǎng)期時(shí)效，合金的組織在500 h時(shí)效后開始出現(xiàn)η相，這時(shí)晶界上偶能見到η相，600 h后晶界上均有η相析出.η相隨時(shí)效時(shí)間加長(zhǎng)進(jìn)一步析出、變長(zhǎng)，粗化成片狀，由晶界向晶內(nèi)生長(zhǎng)，2 000 h后晶內(nèi)也析出η相.η相充分析出造成晶界貧γ'相區(qū)，貧γ'相區(qū)隨時(shí)間增長(zhǎng)變寬.由于合金500 h時(shí)效出現(xiàn)η相，各項(xiàng)性能指標(biāo)曲線出現(xiàn)拐點(diǎn).但少量的η相尚不能影響合金性能，600 h時(shí)效后合金性能才下降.

表5 GH4133A合金750℃長(zhǎng)期時(shí)效的性能Table 5 The properties of GH4133A alloy after aging at 750℃ for different time

3 結(jié)論

(1)改型GH4133A合金經(jīng)過650℃和700℃長(zhǎng)期時(shí)效后，室溫拉伸和沖擊性能、硬度、400℃拉伸性能和在750℃/343 MPa條件下持久性能無明顯變化，表現(xiàn)出良好性能穩(wěn)定性，合金的所有性能指標(biāo)超過技術(shù)條件的要求，具備長(zhǎng)期使用的可靠性.

(2)改型GH4133A合金經(jīng)過750℃長(zhǎng)期時(shí)效后，合金的室溫拉伸性能和400℃拉伸性能在在時(shí)效500 h以前基本上保持穩(wěn)定，500 h以后隨時(shí)效時(shí)間的增長(zhǎng)而下降.合金的室溫沖擊aK值在時(shí)效300 h以前保持恒定，300 h后下降，500～2 000 h時(shí)效aK值基本保持穩(wěn)定.合金在750℃/ 343 MPa條件下，在時(shí)效600 h以前，持久性能壽命很穩(wěn)定，基本保持在100 h左右，600 h以后的持久壽命迅速下降.持久的δ5和ψ值變化規(guī)律一樣，在500 h以前均隨時(shí)效時(shí)間的增加而有所上升，500 h時(shí)效后塑性下降，600 h出現(xiàn)最低點(diǎn)，但在600 h至2 000 h時(shí)效區(qū)間，δ5和ψ值卻迅速上升.

［1］師昌緒，李恒德，周廉.材料科學(xué)與工程手冊(cè)(上卷－第6篇)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

(SHI Chang－xu，LI Heng－de，ZHOU Lian.Material science and engineering manual(first volume－sixth paper)［M］.Beijin:Chemical Industry Press，2004.)

［2］Elihu F，Bradly.Superalloys:a technical guide［M］.Metals Park，OH，ASM International，1988.

［3］Park N K，Kim I S，Na Y S，et al.Hot forging of a nickelbase superalloy［J］.Joural of materials processing technology， 2001，111(1):98－102.

［4］Medeiros S C，Prasad Y V R K，F(xiàn)razier W G，et al.Microstructural moldeling of metadynamic re－crystallization in hot working of in 718 superalloy［J］.Materials science and engineering A，2000，293:198－207.

［5］張冬梅，國(guó)振興，陳仲?gòu)?qiáng)，等.改型GH4133A合金長(zhǎng)期時(shí)效的組織穩(wěn)定性研究［J］.材料與冶金學(xué)報(bào)，2010，9(2): 121－126.

(ZHANG Dong－mei，GUO Zhen－xing，CHEN Zhongqiang，et al.Study of structure stability in modified GH4133A alloy after long－term aging［J］.Journal of materials and metallurgy，2010，9(2):121－126.

Study on stability of mechanical properties for modified GH4133A alloy after long－term aging

ZHANG Dong-mei1，GUO Zhen-xing1，YANG Shu-lin2，SHI Feng-ling1，WANG YU-hua1
(1.AVIC Shenyang Liming Aero－Engine(Group)Corporation Ltd，Shenyang 110043，China; 2.Office of Chinese Peoples Liberation Army in Shenyang Liming Aero－engine(Group)Corporation，Shenyang 110043，China)

Mechanical properties of a modified GH4133A alloy after standard heat treatment followed by long time aging treatment at 650℃，700℃ and 750℃ respectively were tested at room temperature and high temperature.The results indicated that the change of the tensile and impact property at room temperature，the hardness，the tensile property at 400℃ and stress－rupture life at 750℃/343 MPa is identical，and mechanical properties stability is good in the modified GH4133A alloy after long－term aging at 650 and 700℃.On the other hand，when the aging temperature is 750℃，the tensile properties at room temperature and 400℃ are steady before 500 h aging，and then decrease with the aging time from 500 h to 2 000 h.The impact property is steady before 300 h aging，and it begins to decrease after 300 h.The stress－rupture life at 750℃/343 MPa is steady before 600 h aging，the value is about 100 h，and then reduces distinctly with the aging time from 600 h to 2 000 h.

modified GH4133A alloy;long－term aging;mechanical properties stability

TG 142.1

A

1671-6620(2012)03-0202-05

2012-06-01.

國(guó)家自然基金資助項(xiàng)目 (50901014).

張冬梅 (1978—)，女，工程師，E－mail:zhangdmdd@sohu.com;史鳳嶺 (1964—)，男，研究員級(jí)高級(jí)工程師，E－mail:sylm_sfl@yahoo.cn.