固溶溫度對GH4145合金顯微組織與力學性能影響

李成龍，李晴，趙長虹

江蘇隆達超合金航材有限公司 江蘇無錫 214000

1 序言

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

2 試驗材料及方法

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

表1 GH4145合金化學成分（質量分數(shù)）（%）

對經(jīng)表2中8種熱處理制度處理后的GH4145合金進行金相處理，將固溶和時效后的材料線切割成10mm×10mm×10mm的試樣，采用不同型號的砂紙對平行于棒材縱向截面的試樣表面進行打磨，并經(jīng)機械拋光后，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，利用光學顯微鏡OM觀察試樣的顯微組織并用截距法測得平均晶粒尺寸。檢測合金室溫拉伸性能和硬度，同時利用掃描電鏡SEM觀察試樣斷口形貌。

表2 固溶和時效熱處理制度

3 試驗結果及分析

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。對不同固溶溫度試樣的平均晶粒度進行統(tǒng)計，結果如圖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，晶粒度的長大拐點在1035～1065℃，但溫度升高到1065℃后晶粒度長大趨勢逐漸平穩(wěn)。

圖1 GH4145合金不同熱處理制度下試驗合金顯微組織

圖2 GH4145合金不同熱處理制度下試驗合金晶粒度

3.2 GH4145合金的室溫力學性能

不同熱處理制度對應的室溫拉伸性能及平均晶粒尺寸的測試結果見表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

對以上8種熱處理制度的室溫拉伸試樣進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“杯錐狀”斷口和“沿晶狀”斷口的屈服強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度關聯(lián)符合Hall-Petch關系[12]（ReL＝σ0＋kd-1/2），由于常溫下晶界對位錯運動的阻礙，因此晶界越多，即晶粒越細，材料的強度就越高，也就是細晶強化。從表3可看出，晶粒尺寸越小，強度越高。根據(jù)表3的數(shù)據(jù)，以d-1/2（mm-1/2）為橫軸、以抗拉強度Rm（MPa）為縱軸，做出了晶粒尺寸d與室溫抗拉強度Rm的對應關系曲線（見圖4）。從圖4可看出，Rm與d-1/2（mm-1/2）基本呈線性關系。對圖4進行線性回歸，可以看出GH4145合金抗拉強度Rm與晶粒尺寸d的關系式為

圖4 抗拉強度Rm與等效圓直徑d -1/2的關系

但是，同樣在對屈服強度ReL與d-1/2進行對應關系，發(fā)現(xiàn)二者并不能呈線性關系。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，其抗拉強度相差20%，二者晶粒度差異為平均6.5級（制度2）與6級（制度3），因此以6級晶粒度作為室溫屈服強度的“拐點”。

5 結束語

1）隨著固溶溫度的升高，晶粒度明顯長大，室溫拉伸強度也隨之降低。

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

3）室溫屈服強度的拐點對應6級晶粒度，當晶粒度≤6級時，屈服強度呈明顯下降趨勢。