時(shí)效處理對(duì)GH105組織和硬度的影響

摘 要：高溫合金葉片在使用過程中發(fā)生組織過熱會(huì)嚴(yán)重影響其使用性能，本文在950℃～1250℃對(duì)GH105鎳基高溫合金進(jìn)行熱處理，研究不同加熱溫度下組織演變和性能變化規(guī)律，根據(jù)時(shí)效處理后樣品的金相組織、碳化物形貌和硬度測(cè)量，發(fā)現(xiàn)隨試驗(yàn)溫度升高，硬度先下降、后上升，晶粒有長(zhǎng)大趨勢(shì)，γ′相和晶界碳化物逐漸溶解。1050℃時(shí)晶界碳化物明顯溶解，并有細(xì)小的γ′相析出，1150℃以上時(shí)碳化物M23C6相完全溶解。此研究可作為GH105合金葉片過熱組織判定依據(jù)，對(duì)提升裝備修理質(zhì)量和使用可靠性具有一定指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：時(shí)效處理；顯微組織；晶粒度；碳化物；硬度

中圖分類號(hào)：TG 13" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

GH105合金在渦輪葉片、渦輪盤、環(huán)形件、螺栓以及緊固件的制作上具有重要作用。裴玉冰等研究了GH105合金中Al、Ti、C、Cr、Mo共5種元素對(duì)γ′相、σ相、M23C6相和μ相的影響[1]。GH105合金在600℃～1600℃下的主要析出相有γ相、γ′相、MC相、M23C6相、μ相以及σ相。γ相為基體相，能保證溶入大量合金元素，從而起到固溶強(qiáng)化的作用。

γ′相是鎳基高溫合金的主要沉淀強(qiáng)化相，γ′相數(shù)量越多，強(qiáng)化效果越好，但溫度達(dá)到777℃時(shí)，會(huì)因位錯(cuò)的熱激活而降低合金的屈服強(qiáng)度，使γ′相的強(qiáng)化作用減弱。MC相為另一重要的沉淀強(qiáng)化相，一般在晶內(nèi)呈大塊狀析出，主要為Ti、Zr等元素組成的碳化物[2]。時(shí)效后呈塊狀或者顆粒狀的M23C6相能夠起到晶界強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化的作用，但在晶界處會(huì)析出過多的M23C6相，導(dǎo)致其在晶界處連成脆性薄膜，降低合金的沖擊韌性，也會(huì)導(dǎo)致裂紋在此處增生擴(kuò)展。為了保證合金具有良好的力學(xué)性能，需要控制M23C6相的含量[3]。

本文根據(jù)GH105合金葉片的實(shí)際工作情況和檢查要求制定時(shí)效處理制度，研究時(shí)效溫度對(duì)GH105合金組織和性能的影響，明確GH105葉片組織過熱檢查的判定依據(jù)，以提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 GH105合金時(shí)效處理工藝

GH105為Ni-Co-Cr基沉淀硬化型變形高溫合金，工作溫度為750℃～950℃，熔化溫度為1340℃～1380℃，以γ′-Ni3（Al、Ti）相時(shí)效強(qiáng)化和M6C、M23C6碳化物固溶強(qiáng)化，950℃內(nèi)具有高抗氧化性和高抗蠕變性[4]。時(shí)效過程中，碳化物和γ′相從基體中析出，從而保證合金具有良好的力學(xué)性能、抗氧化和抗腐蝕能力等。

GH105是穩(wěn)定γ′相進(jìn)行強(qiáng)化的合金，化學(xué)成分見表1，可見強(qiáng)化元素含量比較高，特別是第二相析出元素Al、Ti含量較高，第二相γ′相的析出量可達(dá)45%，在1150℃固溶，水冷基本能抑制γ′相析出，空冷時(shí)可析出細(xì)小γ′相[5]。

本文根據(jù)GH105合金葉片的使用工況，研究發(fā)動(dòng)機(jī)超溫狀態(tài)下GH105合金顯微組織和性能的變化規(guī)律，對(duì)葉片使用壽命研究和發(fā)動(dòng)機(jī)修理質(zhì)量提升意義重大。GH105合金一般在950℃以下使用，本試驗(yàn)制定的時(shí)效溫度為950℃～1250℃，起始時(shí)效溫度為GH105合金規(guī)定使用溫度的上限，終止溫度低于合金的熔化溫度。為得到比較明顯的組織變化規(guī)律，將時(shí)效溫度間隔設(shè)定為50℃，保溫時(shí)間為GH105葉片超溫時(shí)的最長(zhǎng)使用時(shí)間15min，冷卻方式為空冷。

試驗(yàn)選用新品葉片為研究對(duì)象，以葉片葉身部位組織為參照，使用箱式電阻爐對(duì)葉片進(jìn)行時(shí)效處理，研究不同的時(shí)效溫度下葉片組織的變化情況。并結(jié)合硬度測(cè)量結(jié)果，確定發(fā)動(dòng)機(jī)超溫后GH105合金葉片組織過熱檢查的標(biāo)準(zhǔn)，用以指導(dǎo)生產(chǎn)。

2 時(shí)效處理金相組織

在不同溫度時(shí)效處理后，在葉身切取試樣，磨制拋光和腐蝕后進(jìn)行金相組織檢查。通過與新品葉片葉身部位金相組織進(jìn)行比較，本文發(fā)現(xiàn)經(jīng)過時(shí)效處理后合金的晶粒度有所變化（見表2）。隨試驗(yàn)溫度升高，晶粒度有長(zhǎng)大的趨勢(shì)。未經(jīng)時(shí)效處理葉片的原始組織晶粒度為7級(jí)；950℃時(shí)效處理對(duì)葉片組織晶粒度沒有明顯影響，仍為7級(jí)晶粒；經(jīng)1000℃時(shí)效處理后，葉片的晶粒長(zhǎng)大為6級(jí)晶粒；1050℃～1200℃時(shí)效處理后，晶粒進(jìn)一步長(zhǎng)大，晶粒度為5級(jí)；1250℃時(shí)效處理后，晶粒長(zhǎng)大到3級(jí)。

3 時(shí)效處理電鏡組織

時(shí)效處理前葉片原始組織中的碳化物呈鏈狀沿晶界分布（如圖1（a）所示），γ基體上均勻分布不規(guī)則圓形和點(diǎn)狀γ′相（如圖2（a）所示）。950℃～1000℃時(shí)效后，組織中碳化物呈鏈狀沿晶界分布（如圖1（b）、1（c）所示），γ′相有長(zhǎng)大趨勢(shì)（如圖2（b）、2（c）所示）。1050℃時(shí)效后，組織中碳化物彌散分布（如圖1（d）所示），不規(guī)則圓形γ′相數(shù)量減少、尺寸增大（如圖2（d）所示）。1100℃時(shí)效后，組織中碳化物彌散分布，部分溶解（如圖1（e）所示），不規(guī)則圓形γ′相大量減少、尺寸進(jìn)一步增大（如圖2（e）所示）。1150℃時(shí)效后，組織中大部分碳化物溶解（如圖1（f）所示），不規(guī)則圓形γ′相數(shù)量較少（如圖2（f）所示）。1200℃時(shí)效后，組織中大部分碳化物溶解（如圖1（g）所示），不規(guī)則圓形γ′相數(shù)量較少，可見重新析出的點(diǎn)狀分布的小γ′相（如圖2（g）所示）。1250℃時(shí)效后，組織中碳化物基本溶解（如圖1（h）所示），不規(guī)則圓形γ′相已全部溶解，γ基體上均勻分布重新析出的點(diǎn)狀γ′相（如圖2（h）所示）。

晶界碳化物隨時(shí)效溫度升高逐漸溶解，1250℃時(shí)效后已完全溶解。晶內(nèi)的γ′相隨時(shí)效溫度升高有長(zhǎng)大趨勢(shì)，1200℃時(shí)效后有細(xì)小γ′相重新析出，發(fā)生γ′相回溶，1250℃時(shí)效后原始不規(guī)則的γ′相全部溶解，γ基體上均勻分布二次析出的γ′相。

GH105鎳基變形高溫合金的組成相主要包括γ相基體、與基體共格關(guān)系的γ′相以及少量MC和M23C6碳化物。γ基體相具有面心立方的晶體結(jié)構(gòu)（FCC），主要組成元素是Ni元素。γ相具有較高的固溶度，可以溶解較多的Cr、Mo、Co和Fe等元素，起到固溶強(qiáng)化作用，從而強(qiáng)化基體。γ′相即Ni3（Al、Ti）相是合金的主要強(qiáng)化相，具有長(zhǎng)程有序的面心立方結(jié)構(gòu)，每個(gè)晶胞中包括1個(gè)Al原子和3個(gè)Ni原子，Al原子位于晶胞頂點(diǎn)位置，而Ni原子占據(jù)面心位置。γ相中，Ni原子可以被Co原子取代，Al原子可以被Ti和Mo原子取代，而Cr原子可以取代Ni或Al原子。由于γ′相與γ相的晶體結(jié)構(gòu)相同，點(diǎn)陣常數(shù)相差較小，因此在低于γ相的溶解溫度下進(jìn)行熱處理或服役過程中，γ′相在γ基體中大量析出，其形貌通常為球形?；w中析出的γ′相能夠阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而可提高合金的強(qiáng)度。γ′相的形貌、含量、尺寸和分布等對(duì)合金的力學(xué)性能有較大影響。合金中主要的碳化物為MC和M23C6，MC碳化物具有面心立方結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是高熔點(diǎn)、高硬度。在冶煉和凝固過程中，合金中的C元素容易和Ti、Mo和Zr元素結(jié)合形成一次MC碳化物，其熔點(diǎn)可達(dá)1300℃，在后續(xù)熱處理過程中不能完全溶解并保留在基體中。一次MC碳化物通常比較穩(wěn)定，然而在高溫長(zhǎng)時(shí)時(shí)效或服役過程中可能會(huì)發(fā)生緩慢分解。在時(shí)效過程中還可能會(huì)析出少量細(xì)小的二次MC碳化物。在GH105合金中，MC碳化物主要是TiC，呈球形或塊狀分布在晶界和晶內(nèi)，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，釘扎晶界，起到一定的強(qiáng)化作用[6]。

M23C6碳化物也是面心立方結(jié)構(gòu)，其中M元素主要為Cr元素，即Cr23C6碳化物，部分Cr元素可被Mo、Co和Ni元素取代。M23C6碳化物的形貌通常為球形或塊狀，分布在晶界和晶內(nèi)，但主要在晶界上析出，呈不連續(xù)分布，可以阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和晶界滑動(dòng)，提高合金的持久強(qiáng)度。在長(zhǎng)期服役或時(shí)效后，M23C6碳化物會(huì)長(zhǎng)大粗化，當(dāng)M23C6碳化物在晶界上形成連續(xù)的碳化物鏈時(shí)，有利于裂紋在晶界形核和擴(kuò)展，降低合金的沖擊韌性和持久壽命。

熱處理工藝對(duì)鎳基高溫合金的晶粒尺寸、析出相的溶解和分布等有重要影響，組織決定性能，組織變化會(huì)影響合金的力學(xué)性能。鎳基高溫合金通常采用固溶、中間時(shí)效和預(yù)時(shí)效的熱處理工藝。固溶處理是為了控制晶粒尺寸，減輕或消除成分偏析，使成分和組織均勻，并溶解大部分析出相，從而使合金在時(shí)效過程中析出細(xì)小的析出相。中間時(shí)效一般在高于γ′相溶解溫度、低于碳化物的溶解溫度下進(jìn)行，使細(xì)小的碳化物（如M23C6和MC等）在晶界析出，釘扎晶界，起到穩(wěn)定晶界的作用，提高合金的持久強(qiáng)度[7]。

隨時(shí)效處理溫度升高，晶界上鏈狀分布的碳化物逐漸發(fā)生溶解，數(shù)量減少，并由沿晶界鏈狀分布轉(zhuǎn)化為彌散分布在晶粒組織中，失去了阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和晶界釘扎的第二項(xiàng)質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)化作用，進(jìn)而影響合金的力學(xué)性能和疲勞抗性。在正常的GH105組織中，γ′相是大小基本一致、均勻分布在γ基體上的，在超過其使用溫度950℃下進(jìn)行時(shí)效處理，使均勻分布的γ′相逐漸長(zhǎng)大，晶?；ハ嗤滩ⅲ叽缱兇?，數(shù)量減少，晶界減少，γ′相的晶界強(qiáng)化作用降低。隨著時(shí)效溫度升高，γ′相進(jìn)一步長(zhǎng)大，晶界對(duì)材料的強(qiáng)化作用也進(jìn)一步減弱。加熱到1200℃以上時(shí)，原始的γ′相已基本溶解，γ基體上均勻分布著細(xì)小的點(diǎn)狀γ′相，合金發(fā)生組織回溶，其力學(xué)性能和抗疲勞性能已完全發(fā)生改變。

4 時(shí)效處理后葉片硬度

使用洛氏硬度計(jì)檢查葉片時(shí)效處理前、后的硬度，未經(jīng)時(shí)效處理的GH105合金葉片的硬度為33.4HRC。時(shí)效處理后，隨時(shí)效溫度升高，硬度呈現(xiàn)先下降、后上升趨勢(shì)，在31HRC～35HRC變化，總體波動(dòng)不大（如圖3所示）。洛氏硬度是通過測(cè)量壓頭壓入材料的凹坑深度進(jìn)行硬度值表征的一種硬度測(cè)量方法，每個(gè)試樣進(jìn)行3次硬度測(cè)量，取平均硬度值作為該狀態(tài)下試樣的硬度。查閱中國(guó)航空材料手冊(cè)和葉片用GH105合金技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，沒有明確的材料硬度技術(shù)要求，經(jīng)過不同溫度時(shí)效處理的葉片試樣的硬度與未經(jīng)處理的新品葉片的硬度沒有明顯的大小差異，硬度值與葉片組織轉(zhuǎn)變沒有對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此硬度不能成為葉片組織過熱與否的判定標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

隨時(shí)效溫度升高，GH105晶粒有長(zhǎng)大趨勢(shì)，晶粒度由7級(jí)變化為3級(jí)，時(shí)效溫度對(duì)硬度無顯著影響。950℃～1100℃時(shí)效后γ′相固溶長(zhǎng)大，1150℃時(shí)效后原始的γ′相已開始回溶，并析出細(xì)小的γ′相，1200℃時(shí)效后全部為重新析出的細(xì)小γ′相；1000℃時(shí)晶界碳化物開始回溶和彌散，1050℃時(shí)晶界碳化物發(fā)生明顯溶解；1150℃以上時(shí)晶界碳化物M23C6相已基本溶解。

GH105合金組織過熱的判定依據(jù)如下所示。1）γ′相檢查。正常組織γ′相清晰可見，數(shù)量較多，呈橢圓形；過熱組織存在重新析出的細(xì)小γ′相，原始γ′相數(shù)量減少、尺寸變大。2）碳化物檢查。正常組織碳化物沿晶界鏈狀分布；過熱組織晶界碳化物部分溶解，彌散分布于晶粒中。3）晶粒度檢查。根據(jù)γ′相和碳化物顯微組織判定依據(jù)可以得出正常組織晶粒度等級(jí)≥5級(jí)；過熱組織晶粒度等級(jí)＜5級(jí)。

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