不同熱處理工藝對GH4169合金顯微組織和硬度的影響

薛朝華，闕利果

（貴陽白云中航緊固件有限公司，貴州 貴陽 550000）

航空航天領(lǐng)域中運(yùn)用最為廣泛的材料之一GH4169，在650℃下時(shí)，具有較高的強(qiáng)度和塑性、良好的耐腐蝕性、抗氧化性和疲勞性能以及斷裂韌性等，是一種沉淀硬化性鎳基變形高溫合金［1-3］。由于GH4169合金有良好的力學(xué)性能，一些非高溫工作環(huán)境下的構(gòu)件往往也會(huì)選用GH4169合金材料［4］。GH4169合金最顯著的優(yōu)點(diǎn)是在經(jīng)過不同熱變工藝和熱處理工藝后以獲得多種不同的顯微組織，包括各種形態(tài)和尺寸的晶粒，如針狀、顆粒狀態(tài)和不同數(shù)量的δ相等，因此，該合金的沖擊、蠕變、持久、拉力和硬度等力學(xué)性能也會(huì)隨之發(fā)生變化。所以，研究GH4169合金材料熱處理工藝對合金組織具有很重大的意義［5］。目前其熱處理工藝主要根據(jù)GH4169合金的TTT曲線 （Time-Temperaturee-Transformation）［6］來制定，典型的熱處理工藝大多是由950～980℃固溶處理，然后在720℃和620℃進(jìn)行兩個(gè)階段的時(shí)效處理［7-8］。本文選用的GH4169材料的直徑為Ф8.5mm，長度30mm，高倍組織晶粒度為10～11級，通過改變不同熱處理工藝對GH4169合金顯微組織細(xì)晶粒和硬度等組織和性能的變化，從而獲得其理想力學(xué)性能。

1 試驗(yàn)材料與方法

本實(shí)驗(yàn)采用的材料來源為東北特鋼集團(tuán)撫順特殊鋼股份有限公司購買的GH4169合金，其材料化學(xué)成分見表1。為使試驗(yàn)的規(guī)范性，每次試驗(yàn)的材料為同爐批次，同規(guī)格。材料直徑選用Ф8.5mm，長度為30mm，50件試樣，高倍組織晶粒度為10級，每次熱處理設(shè)備均為同一設(shè)備，六種熱處理工藝如表2所示。

經(jīng)過不同熱處理工藝后的合金試樣，在根據(jù)緊固件硬度試樣方法GJB715.2-89的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范通過磨制試樣具有兩個(gè)互相平行的平整表面。使維氏顯微硬度計(jì)測量其顯微硬度，試驗(yàn)選用試驗(yàn)力為150N，每件試樣最少測3次，取平均值來減少誤差，在通過黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值標(biāo)準(zhǔn)GB／T1172-1999轉(zhuǎn)化為羅氏硬度。硬度試驗(yàn)測試完，將處理后的樣件進(jìn)行研磨、拋光、腐蝕 （腐蝕劑為100mL CH3CH2COOH+100mL HCl+5g CUCl2）用配制好的腐蝕液進(jìn)行腐蝕，用金相顯微鏡在100倍下觀察晶粒度，然后進(jìn)行分析。

表1 GH4169合金化學(xué)成分 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

2 結(jié)果與分析

2.1 固溶溫度和時(shí)間對晶粒組織的影響

GH4169合金 1?！?＃試樣分別在 950、980、1010、1030、1050、1070的固溶溫度下保溫60min后進(jìn)行油冷，如表2所示。

表2 熱處理參數(shù)

最終得到晶粒組織如圖1所示。由圖1中原始冷拉固溶狀態(tài)試樣 （即0＃試樣）在經(jīng)過熱處理的不同固溶溫度，當(dāng)溫度在950～980℃下保溫，試樣的晶粒尺寸變化不明顯，當(dāng)溫度在1010～1050℃下保溫，隨著溫度的升高，晶粒尺寸隨著溫度的升高，晶粒開始明顯長大，當(dāng)溫度在1050～1070℃下保溫，隨著溫度的升高，晶粒尺寸變化不再明顯。

試樣原始冷拉固溶態(tài)的晶粒度在10級，晶粒分布均勻，晶粒過細(xì)。試樣1號和2號分別在950℃和980℃固溶處理，發(fā)現(xiàn)1＃和2＃中的基體晶粒不發(fā)生明顯變化，試樣3～6＃試樣分別在1010、1030、1050、1070℃中固溶處理，隨著固溶溫度持續(xù)提升，在1010℃溫度下保溫60 min，可發(fā)現(xiàn)3＃試樣中的晶粒明顯長大，晶粒度大約在6～7級，相對于溫度子950～980℃時(shí)，晶粒已經(jīng)明顯長大。當(dāng)固溶溫度繼續(xù)提高到1030℃，長大晶粒的數(shù)量有所增加，晶粒度在4～5級之間，當(dāng)溫度提高到1050℃時(shí)，晶?；w已經(jīng)全部長大，個(gè)別晶粒已經(jīng)長大至3.0級，晶粒粗大，當(dāng)溫度提高到1070℃時(shí)，晶?；旧蠜]有明顯變化。

圖1 經(jīng)過不同固溶溫度和時(shí)間熱處理后的晶粒組織

2.2 不同的固溶溫度合金性能的影響

圖2是不同固溶溫度，隨后進(jìn)行了720℃×8h+620℃×8h的時(shí)效處理的硬度值。從圖2中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度在950～980℃固溶處理，隨后進(jìn)行了720℃×8h+620℃×8h的時(shí)效處理，GH4169試樣合金硬度基本未發(fā)生明顯的變化，硬度保持在47～48HRC之間，當(dāng)固溶溫度在高于1010℃，隨后進(jìn)行了720℃×8h+620℃×8h的時(shí)效處理，第二相會(huì)逐漸溶解到基體中，在經(jīng)過時(shí)效處理后，第二相均勻彌散分布。特別是當(dāng)固溶溫度從1010℃提高到1050℃時(shí)，硬度下降的幅度非常大，這也說明當(dāng)溫度提高到1010℃以上晶粒長大明顯。當(dāng)溫度在1050～1070℃后，試樣硬度值降低幅度和晶粒的變化不明顯。

圖2 不同熱處理工藝的GH4169合金的硬度值

圖3是不同固溶溫度，隨后進(jìn)行了720℃×8h+620℃×8h的時(shí)效處理的抗拉強(qiáng)度值，在溫度低于980℃固溶時(shí)，晶粒相對細(xì)小，晶粒相對均勻，抗拉強(qiáng)度值保持在1200MPa以上，隨著固溶溫度的升高，當(dāng)固溶溫度達(dá)到1010℃時(shí)，δ相充分溶解，鎳原子能獲得充分?jǐn)U散激活能，晶粒的充分長大，強(qiáng)度指標(biāo)呈降低趨勢，當(dāng)溫度升高的在1050～1070℃后，抗拉強(qiáng)度值的變化不在明顯。

圖3 不同熱處理工藝的GH4169合金的抗拉強(qiáng)度

3 結(jié)論

1）當(dāng)固溶時(shí)間不變，時(shí)效溫度和時(shí)間不變，隨著固溶溫度從950℃升至980℃時(shí)，GH4169合金中的δ相沿晶界析出，隨著晶界的遷移，在該固溶溫度下，晶粒未發(fā)生明顯長大。當(dāng)固溶溫度大于1010℃，δ相充分回溶，鎳原子獲得充分的擴(kuò)散激活能，晶粒發(fā)生明顯長大。

2）隨著固溶溫度從950℃升至980℃時(shí)，硬度值變化不明顯，基本在47.5～48HRC之間，抗拉強(qiáng)度值在1240～1280MPa。當(dāng)溫度大于1010℃時(shí)，隨著晶粒的長大，硬度值開始降低，抗拉強(qiáng)度值也開始降低，硬度和抗拉強(qiáng)度隨著固溶溫度的升高而逐漸減低，但固溶溫度達(dá)到1050～1070℃時(shí)，硬度和抗拉強(qiáng)度與固溶溫度的變化不再有明顯的相關(guān)性。