GH4099高溫合金固溶時(shí)效組織與性能研究

李榮之，曹征寬，余朝龍，凡 淳，張全新

(1.重慶鋼鐵研究所有限公司，重慶 400084；2.重慶理工大學(xué)，重慶 400054)

鎳基高溫合金具有良好的高溫強(qiáng)度、組織穩(wěn)定性和抗氧化耐腐蝕性能，已在航空航天領(lǐng)域中得到了重要應(yīng)用，也廣泛用于核工業(yè)和能源工業(yè)等領(lǐng)域[1]。其中GH4099是作為一種典型的鎳基時(shí)效強(qiáng)化高溫合金，具有優(yōu)良的高溫力學(xué)性能、抗蠕變性能和耐腐蝕性能，主要用于航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)。該合金通過(guò)固溶時(shí)效處理后具有良好的熱強(qiáng)性，900 ℃以下可以長(zhǎng)期使用，最高工作溫度可達(dá)1000 ℃，成為航空航天應(yīng)用領(lǐng)域中的重要金屬材料[2]。GH4099合金以Ni、Cr元素為主，通過(guò)W、Mo、Co等元素進(jìn)行固溶強(qiáng)化，以Al、Ti進(jìn)行時(shí)效強(qiáng)化，以B進(jìn)行晶界強(qiáng)化，通過(guò)固溶、時(shí)效處理后形成以γ相為基體并含有其他化合物相的復(fù)雜組織，能夠滿(mǎn)足航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的高溫工作要求[3]。GH4099合金的成分優(yōu)化和熱處理工藝條件的改進(jìn)，是不斷提高合金使用性能的重要途徑。夏長(zhǎng)林等研究表明，GH4099合金提高W、Mo、Co合金含量，控制Mg元素范圍，對(duì)提高合金強(qiáng)度有利[4]；秦升學(xué)等通過(guò)提高時(shí)效溫度和延長(zhǎng)時(shí)效時(shí)間，改變了γ′相的形態(tài)和尺寸，750 ℃時(shí)效時(shí)合金獲得的硬度最高[5]。

由于熱處理對(duì)鎳基合金的性能影響較大，所以選擇合適的熱處理工藝對(duì)優(yōu)化GH4099鎳基高溫合金的性能具有重要的意義。本文通過(guò)不同溫度下的固溶和時(shí)效處理工藝實(shí)驗(yàn)，研究固溶時(shí)效處理工藝對(duì)GH4099高溫合金組織的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

本文選用GH4099實(shí)驗(yàn)材料，其主要化學(xué)成分含量如表1所示。

表1 GH4099合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

實(shí)驗(yàn)材料在熱處理前的狀態(tài)為熱鍛態(tài)圓棒，將其制成10 mm×10 mm規(guī)格的多個(gè)試樣，按照GH4099固溶處理和時(shí)效處理的熱處理溫度范圍，采用SX2-4-13箱式電阻爐分別加熱到1050 ℃、1100 ℃和1150 ℃進(jìn)行固溶處理，保溫1 h后空冷到室溫。將固溶處理后的試樣分別在750 ℃、850 ℃和950 ℃進(jìn)行時(shí)效熱處理，保溫4 h后空冷到室溫。

將固溶時(shí)效處理后的試樣制備成金相試樣，采用鹽酸-硫酸-硫酸銅溶液進(jìn)行腐蝕，腐蝕劑配比如表2所示。在室溫下浸蝕30-60 s后立即用酒精清洗并吹干，采用DMI5000M型徠卡金相顯微鏡對(duì)處理后的試樣進(jìn)行金相組織觀察，采用HVS-1000型自動(dòng)轉(zhuǎn)塔數(shù)顯顯微硬度計(jì)進(jìn)行顯微硬度檢測(cè)。

表2 金相腐蝕試劑的配比

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 熱處理對(duì)組織的影響

GH4099合金固溶處理前為熱鍛狀態(tài)，其顯微組織結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖中可以觀察到，不規(guī)則塊狀白色組織即為合金的基體γ相即奧氏體，其晶粒尺寸較大，由于熱加工使得部分晶粒呈一定比例的變形，未發(fā)生完全再結(jié)晶，晶粒內(nèi)部存在較多大顆粒狀析出相，這是該材料在鍛后空冷而未固溶熱處理前的組織特征。

圖1 GH4099熱處理前的組織Fig.1 The microstructure of GH4099 before heat treatment

在不同溫度下固溶1 h再進(jìn)行750 ℃時(shí)效4 h后的金相組織如圖2所示。圖2(a)、圖2(b)、圖2(c)分別為1050 ℃、1100 ℃和1150 ℃三種固溶溫度。固溶后基體γ相變?yōu)榈容S晶，較大顆粒的析出相已基本溶解，晶粒內(nèi)部重新析出彌散細(xì)小的第二相 即γ′相，它是合金的重要強(qiáng)化相。由圖2(a)與圖2(b)金相組織相差不大，晶粒未明顯長(zhǎng)大，圖2(c)中基體γ相晶粒尺寸增加，細(xì)小顆粒狀γ′析出相增加。GH4099合金中大顆粒狀析出相在1050 ℃以上完全溶解在基體中，時(shí)效時(shí)γ′相重新析出，固溶溫度超過(guò)1100 ℃時(shí)，由于γ′相溶解在基體中削弱了對(duì)晶粒長(zhǎng)大的限制作用，基體相的晶粒會(huì)逐漸長(zhǎng)大，溫度上升到1150 ℃時(shí)，又由于溫度較高會(huì)加快晶界的遷移速率，使得晶粒長(zhǎng)大速度迅速加快。此外，固溶處理溫度越高，合金元素的固溶效果越好，時(shí)效析出的效果越好。因此，在750 ℃下時(shí)效處理工藝相同時(shí)，隨著固溶溫度升高，合金晶粒尺寸長(zhǎng)大，析出相數(shù)量增加。

圖2 不同溫度固溶后經(jīng)750 ℃時(shí)效的組織Fig.2 Microstructure after solid solution at different temperatures and aging at 750 ℃(a)1050 ℃ (b)1100 ℃ (c)1150 ℃

850 ℃時(shí)效4 h的組織如圖3所示。由圖3中的組織可以看出，隨著固溶溫度的升高，GH4099合金的晶粒尺寸增加且在1150 ℃組織最為粗大；從圖中也可以看出850 ℃時(shí)效處理時(shí)，1100 ℃固溶處理后的析出相數(shù)量最多。造成這一現(xiàn)象的原因在于，1150 ℃固溶溫度較高，大量的合金元素溶入基體，降低了對(duì)晶粒長(zhǎng)大中晶界遷移的阻礙，獲得了粗大的組織，同時(shí)由于合金元素在較短的時(shí)效時(shí)間內(nèi)來(lái)不及析出，因此組織粗大但析出相數(shù)量較低。

圖3 不同溫度固溶后經(jīng)850 ℃時(shí)效的組織Fig.3 Microstructure after solid solution at different temperatures and aging at 850 ℃(a)1050 ℃ (b)1100 ℃ (c)1150 ℃

950 ℃時(shí)效4 h的組織如圖4所示。隨著固溶溫度的升高，基體組織的特征規(guī)律與850 ℃時(shí)效處理的情況基本一致，即晶粒尺寸增加隨固溶處理溫度升高而長(zhǎng)大，在1150 ℃組織最為粗大；從圖中也可以看出950 ℃時(shí)效處理時(shí)，1100 ℃和1150 ℃固溶處理后的析出相數(shù)量均較多，950 ℃時(shí)效的析出相顆粒相對(duì)較低溫度的時(shí)效析出相顆粒發(fā)生較明顯粗化，這是由于較高溫度時(shí)效處理時(shí)溶解于基體相的合金元素沉淀速度加快，析出相的含量和顆粒尺寸增加。

圖4 不同溫度固溶后經(jīng)950 ℃時(shí)效的組織Fig.4 Microstructure after solid solution at different temperatures and aging at 950 ℃(a)1050 ℃ (b)1100 ℃ (c)1150 ℃

2.2 熱處理對(duì)硬度的影響

采用顯微維氏硬度計(jì)對(duì)不同熱處理工藝的GH4099試樣進(jìn)行硬度檢測(cè)，其結(jié)果如表3所示，硬度值與熱處理工藝的關(guān)系如圖5所示。

從表3、圖5可以看出，在不同的熱處理工藝條件下，合金的硬度呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性變化。在相同固溶溫度下進(jìn)行不同溫度的時(shí)效處理，850 ℃時(shí)效處理后的硬度最高，950 ℃時(shí)效處理后的硬度最低。在相同的時(shí)效溫度下，不同固溶處理得到的顯微硬度相差不大，隨著固溶溫度的升高，析出細(xì)小碳化物的數(shù)量升高使硬度上升，但同時(shí)晶粒的尺寸的長(zhǎng)大會(huì)使硬度下降，因此該合金的硬度隨固溶溫度的變化不大。

表3 GH4099熱處理后的硬度

圖5 熱處理工藝對(duì)合金硬度的影響Fig.5 Effect of heat treatment process on hardness of alloy

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

GH4099合金中的相組成主要有四種，即γ相、γ′相、碳化物和硼化物。γ相為基體奧氏體相，是由鎳原子構(gòu)成的面心立方結(jié)構(gòu)。γ′相是具有面心立方有序結(jié)構(gòu)的金屬間化合物，合金中存在較多而彌散的共格相γ′，它是合金的主要強(qiáng)化相，γ′相的析出使合金獲得很高的高溫強(qiáng)度。GH4099合金進(jìn)行固溶處理時(shí)，需加熱至基體γ相的單相區(qū)，并保溫一段時(shí)間使γ′相和碳化物溶于基體，得到過(guò)飽和固溶體，并形成孿晶，這是由于GH4099合金的層錯(cuò)能低，大角度晶界在遷移吸收位錯(cuò)后易出現(xiàn)堆垛層錯(cuò)現(xiàn)象，從而形成孿晶。當(dāng)溫度逐漸升高，孿晶尺寸隨晶粒長(zhǎng)大而增加，在晶粒長(zhǎng)大的過(guò)程中，晶界的遷移也會(huì)促進(jìn)退火孿晶的形成，退火孿晶因呈平行的條狀也能從以上實(shí)驗(yàn)中清楚地觀察到。固溶處理獲得均勻組織，γ′相溶解于基體中，合金元素呈過(guò)飽和狀態(tài)，為接下來(lái)時(shí)效處理時(shí)在合金的晶內(nèi)、晶界、孿晶界以及相界析出強(qiáng)化相做準(zhǔn)備，固溶溫度越高，第二相在基體的溶解度越大，且分布更均勻。保溫時(shí)間越長(zhǎng)，一方面使第二相在基體的溶解度增大，但另一方面晶粒尺寸也會(huì)增大。不同的時(shí)效溫度和保溫時(shí)間對(duì)合金的時(shí)效效果產(chǎn)生較大影響，由于γ′相在時(shí)效過(guò)程中形核和長(zhǎng)大，隨著時(shí)效溫度升高和時(shí)間延長(zhǎng)，形核和長(zhǎng)大過(guò)程加快，時(shí)效處理效果更為充分[6]。

楊枬森等指出GH4099強(qiáng)度的45%～64%來(lái)自γ′相沉淀強(qiáng)化，合金的性能直接受γ′相的數(shù)量和尺寸的影響，在GH4099合金中存在γ′相粒子尺寸臨界值，此時(shí)γ′相的強(qiáng)化作用最強(qiáng)，反之則減弱[7]。姚志浩等研究表明，在相對(duì)較低的溫度下時(shí)效時(shí)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，強(qiáng)化相粒子長(zhǎng)大到一定尺寸，最大程度阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，之后隨著強(qiáng)化相粒子的進(jìn)一步粗化，其阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的能力逐漸減弱[8]。時(shí)效初始階段，形成大量細(xì)小γ′相粒子，導(dǎo)致系統(tǒng)擁有很高的界面能，此時(shí)合金硬度較高；隨著時(shí)效溫度的升高和時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)，γ′相粒子聚集并粗化，使系統(tǒng)總界面降低，使得GH4099 合金硬度不斷下降[9]。

因此根據(jù)以上組織和硬度的檢測(cè)分析可知，隨著固溶溫度的升高，合金晶粒粗化的趨勢(shì)增加；在相同的固溶溫度下，隨著時(shí)效溫度的升高，合金晶粒尺寸無(wú)明顯變化，這是由于時(shí)效溫度低于該合金晶粒長(zhǎng)大溫度，而一次碳化物數(shù)量變化也不明顯，這是因?yàn)橐淮翁蓟锏娜埸c(diǎn)高且穩(wěn)定性很好，在850 ℃時(shí)效時(shí)，合金析出的彌散相數(shù)量最多，因此硬度最高，750 ℃時(shí)效時(shí)析出相數(shù)量相對(duì)較少，顆粒更為細(xì)小，因此其硬度相對(duì)較低，而950 ℃時(shí)效時(shí)由于析出加速和聚集，獲得的析出相明顯粗化，同時(shí)有部分碳化物和強(qiáng)化相被溶解，因此其硬度最低。

4 結(jié)論

(1)在相同時(shí)效溫度下，固溶溫度對(duì)基體的組織影響明顯，呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，隨著固溶溫度的升高，合金基體晶粒尺寸呈增加趨勢(shì)，1150 ℃固溶時(shí)晶粒尺寸最大。

(2)在相同固溶溫度下，隨著時(shí)效溫度的升高，析出相的含量增加，尺寸增大。經(jīng)1150 ℃固溶1 h并在950 ℃時(shí)效4 h后的析出相數(shù)量最多，尺寸最大。

(3)合金硬度對(duì)固溶處理溫度不敏感，但受時(shí)效溫度影響較大，合金硬度隨時(shí)效溫度的升高呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，合金固溶后經(jīng)850 ℃時(shí)效處理的硬度最高，950 ℃時(shí)效處理后的硬度最低。