GH2909熱處理工藝性能的研究

■范黔偉，孫艷

GH2909熱處理工藝性能的研究

■范黔偉，孫艷

摘要：研究了化學成分中鋁、硅含量；熱處理工藝參數對GH2909室溫、高溫下的力學性能的影響。結果表明，隨固溶溫度提高，強度增加，塑韌性降低；隨時效溫度提高，強度降低，塑韌性增加。原材料中硅含量提高有利于增加合金的ε相、ε″相數量，從而提高合金的高溫缺口敏感性。

G H2909（G H909）是在GH2907的基礎上研發的第三代低膨脹系數高溫合金，屬于Fe-Ni-Co基沉淀硬化型變形高溫合金。使用溫度在650℃以下，合金具有高強度、高冷熱疲勞抗力、低膨脹系數和恒彈性模量，以及良好的熱加工塑性、冷成形和焊接性能。主要產品有棒材、絲材、板帶材和環形件等。相近牌號為：Incoloy909、Pyromet （CTX-909）。

由于此類合金熱膨脹系數小，且隨溫度的變化率小，在很寬的溫度循環中可有效地控制發動機部件和靜部件的間隙大小，減少燃氣損失，節能降耗，提高發動機效率，延長零部件壽命。在應用時，金屬表面可進行噴丸處理，以提高合金的旋轉彎曲高周疲勞強度。

應用概況與特殊要求：合金已用于制作渦輪發動機用環形零部件，如高壓壓氣機后匣、承力環、隔熱環、燃燒室封嚴環、蜂窩座和渦輪外環等，以及火箭發動機推力燃燒室、排氣導管和集流箱等。另外，還推廣應用到制作槍管、炮用部件、玻璃-金屬封接材料、量具、模具和高壓氫氣環境用構件等。

公司承接的GE公司用于燃氣輪機支撐環鍛件及國內某主機廠生產的其他航空用環形鍛件，在生產中出現高溫拉伸伸長率、高溫持久達不到技術要求，因此，針對以上的問題，進行了系統的熱處理工藝試驗。

1. 技術要求

（1）化學成分 GH2909中國標準GB/T14992—2005的化學成分與Western Australian Specialty Alloys Pty Ltd和SOM6700659的區別只有硅、鋁元素含量不同，其他元素的技術要求含量完全相同，見表1。

（2）力學性能 技術標準Q/6S1406與Q/GYB 05036規定的GH2909兩種熱處理制度要求的力學性能見表2。

（3）熱處理制度 GH2909通常采用固溶加兩級時效的熱處理制度，常分為以下兩種。

表1　GH2909化學成分（質量分數）　（%）

熱處理制度Ⅰ：適用于棒材、鍛件和環形件，固溶溫度在968～1010℃內選定，溫度誤差±1 5℃，根據截面厚度確定保溫時間，空冷；時效制度為（720±10）℃，保溫

（8±0.5）h，以55℃/h左右冷速爐冷至（620±10）℃，保溫（8±0.5）h，空冷。

熱處理制度Ⅱ：適用于短時時效棒材、鍛件和環形件，固溶溫度在968～1010℃內選定，溫度誤差±15℃，保溫時間1h±15min，空冷；時效制度為（745±10）℃，保溫（4±0.5）h，以55℃/h左右冷速爐冷至（620±10）℃，保溫（4±0.5）h，空冷。

某些標準和資料還給出了第三種熱處理制度，制度為（9 8 0±1 5）℃空冷+ （980±15）℃空冷，根據截面厚度確定保溫時間；時效制度：（745±10）℃，保溫（4±0.5）h，以55℃/h左右冷速爐冷至（620±10）℃，保溫（4±0.5）h，空冷；即采用雙固溶與雙時效的熱處理制度，適用于冷軋板和帶材。

2. 試驗材料制備及試驗方法

（1）試驗材料的制備-鍛造成形熱處理試棒經鍛造成形，終鍛溫度≥950℃，鍛后空冷。為保證試樣具有相同的原始組織狀態，所有試驗用試樣均取自該合金錠的1/2R處，化學成分見表3。試樣尺寸60mm×100mm×300mm的理化試棒。熱處理后，將試棒加工成標徑為φ5mm的拉力試樣，在萬能材料試驗機上進行拉伸試驗。室溫拉伸按GB/T 228.1進行，高溫拉伸按GJB/T 4338—2006進行，高溫持久按GB/T 2039—1997進行，布氏硬度按G B/T 231.1進行。

表2　力學性能

表3　撫鋼原材料GH2909化學成分（質量分數）　（%）

表4　Western原材料GH2909化學成分（質量分數）　（%）

（2）原材料化學成分及試驗方法實際使用原材料的化學成分如表3、表4所示。將不同供

應商的GH2909原材料經鍛造成形后，采用相同的熱處理制度，同爐進行熱處理，試樣按熱處理標準制度Ⅱ：固溶980℃×1h空冷+時效745℃×4h后以50℃/h冷速爐冷至620℃×4h空冷進行熱處理。

（3）固溶加熱制度試驗方法固溶方案1：1010℃×60min空冷+745℃×4h以55℃/h左右冷速爐冷至620℃×4h空冷；固溶方案2：990℃×60min空冷+745℃×4h以55℃/h左右冷速爐冷至620℃×4h空冷；固溶方案3：980℃×60min空冷+745℃×4h以55℃/h左右冷速爐冷至620℃×4h空冷；固溶方案4：1030℃×60m i n空冷+980℃×60min空冷+745℃×4h 以5 5℃/ h左右冷速爐冷至620℃×4h空冷。

（4）熱處理時效制度及試驗方法時效方案1（雙時效）：980℃×1h空冷+745℃×4h爐冷至620℃×4h空冷；+745℃×4h爐冷至620℃×4h空冷；時效方案2（標準時效）：980℃×1h空冷+745℃×4h爐冷至620℃×4h空冷。

3. 試驗結果與分析

（1）原材料硅、鋁含量不同經相同的熱處理制度后對力學性能造成的影響如表5所示。

原因分析：通過表3與表4對比可以看出，國外料與國內料相比，微量雜質元素相差較大，近一個數量級。而對力學性能有直接影響的鋁控制在較低的含量，硅含量控制在較高的含量。

Western原材料室溫抗拉強度與塑性較撫鋼原材料低，而Western料的650℃高溫抗拉強度與屈服強度低于撫鋼料，而伸長率與斷面收縮率高于撫鋼料。兩種材料最大的區別為650℃高溫持久性能相差達40%。可見化學成分對材料高溫缺口敏感性的影響是巨大的，降低鋁含量、增加硅含量對減少GH2909高溫缺口敏感性非常明顯、有效。

因S i促進ε相、ε″相形成，當合金中Si含量偏上限時，ε相、ε″相數量增加。對GH2909合金中保持有足夠數量的ε相和ε″相，特別是缺口持久壽命的影響更顯著，才能保證合金具有良好的缺口持久壽命，從面消除缺口敏感性。GH2909合金中，ε相和ε″相是作為微量相，主要分布于晶界并沿晶界向晶內生長，分布于晶界的ε相或ε″相，使晶界兩側Nb貧化，從而出現貧γ′相區，而使塑性提高，有助于消除集中于晶界的應力，從而改善缺口敏感性。

鋁含量對合金的影響，Al對提高抗SAGBO（應力加速晶界氧化脆性傾向）不利，控制WAl≤0.1%可大幅提高抗SAGBO性能，而且缺口持久壽命提高一個數量級。

（2）固溶制度對力學性能、金相組織的影響GH2909高溫合金經制度Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ處理后，析出相類型相同，熱處理后的組織由γ相固溶體、γ′相、ε相、ε″相、Laves相、MC型碳化物和G相等組成，見圖1。

表5

圖1

從表6、圖1可以看出，隨固溶加熱溫度增加或兩次固溶后

Laves相減少、晶粒長大，高溫缺口敏感性增加，因此出現伸長率與斷面收縮率降低，而高溫固溶促使更多的合金元素溶入基體。高溫抗拉強度與屈服強度增加而韌性降低，原因是Laves相隨固溶溫度的提高而減少，由于Laves相中固定了大量的合金元素Cr、Mo、Ti、Nb等，因此Laves相減少可增加強化相γ′相或γ″的數量，增加了沉淀強化效應，使合金的強度增加而韌性降低。

（3）時效制度對力學性能的影響表7所示為標準的時效方案2與兩次時效方案1的力學性能對比，從中可以看出，雙時效后650℃高溫抗拉強度與韌性都比時效方案1有了明顯的提高，尤其是韌性提高明顯，達到60%～80%，540℃持久性能提高100%以上，兩種時效方案的室溫性能相差不大。

原因分析：由于ε相、ε″相在750℃為析出高峰期，因此在745℃進行多次時效或延長時效時間可以增加ε相、ε″相析出量，從而減少合金缺口敏感性，提高合金高溫持久性能。從圖2b可看出ε相、ε″相的數量多于圖2a的ε相、ε″相，ε相、ε″相呈針狀或片狀分布。630℃左右是γ′相析出峰溫度，因此在低溫段即620℃多次時效或長時間時效，可增加γ相析出數量。如圖2c的γ′相數量多于圖2d的γ′相。因此，采用延長高溫段時效時間，或雙時效時，可以增加ε相、ε″相數量，從而提高缺口拉伸時間、減少合金缺口敏感性。

4. 結語

（1）在標準要求的化學成分范圍內低鋁、高硅可以增加分布于晶界的ε相和ε″相，從而提高缺口敏感性與高溫持久時間及高溫拉伸塑、韌性。

（2）當固溶加熱溫度在1000℃以上時，隨固溶加熱溫度提高，強度降低，而伸長率、斷面收縮率增加，晶粒尺寸增加。

（3）時效制度對合金力學性能的影響：增加620℃時效時間可提高合金的強度；增加在高溫段745℃時效時間或采用雙時效的方式，可提高合金的韌性。

表6

表7

圖2　(a、c為時效方案1即標準時效，b、d為時效方案2即雙時效)

20150416

作者簡介：范黔偉、孫艷，貴州航宇科技發展股份有限公司。