GH4169G合金零件異常腐蝕區缺陷分析

劉巧沐，黃順洲，陳玉龍，王春健，裴會平

(中國航發四川燃氣渦輪研究院，成都610500)

1 引言

GH4169G合金是我國在優質GH4169合金成分的基礎上，采用P、B微合金復合強化方法發展而成的一種具有自主知識產權的先進鎳基高溫合金。其以面心立方的γ′相 Ni3(Al、Ti、Nb)沉淀強化，在保持GH4169合金優異性能的同時，將使用溫度從650℃提高至680℃，且在680℃時不降低其力學性能與工藝性能[1-5]。因此，GH4169G合金被廣泛應用于制造航空發動機壓氣機整體葉盤、軸頸及低壓渦輪盤等大載荷零件[2-5]。

對于GH4169G合金零件，尤其是轉動件，其冶煉工藝、熱成形工藝及熱處理等關鍵過程決定其組織和性能[4-8]。某項目中，三聯冶煉的GH4169G合金棒材在檢驗、復驗合格后，經等溫鍛造成型鍛件毛坯，再經完全熱處理、腐蝕、粗加工、水浸探傷、質量一致性檢驗合格后交付。然而，某爐號GH4169G合金鍛件毛坯在粗加工、去應力熱處理、精加工后，在全面腐蝕檢查工序時發現零件外表面出現異常腐蝕區。本文針對實際生產中零件全面腐蝕工序發現的白斑、氧化物等缺陷進行了分析與探討，以期為進一步提高GH4169G合金零件質量、更好地理解和認識GH4169G合金的應用積累數據。

2 分析方法

首先采用接觸法對零件進行超聲探傷。完成超聲探傷后，為了不破壞異常腐蝕區，先采用線切割方法切下異常腐蝕區，再將零件內外表面重新打磨，進行低倍擦拭腐蝕。腐蝕劑采用HCl：H2SO4：CuCl2=500 ml：35 ml：150 g組成的混合溶液，腐蝕時間 60～120 min。

在存在異常腐蝕區的部位切片，過異常腐蝕區切開，制備成金相試樣，采用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡對缺陷的組織和成分進行分析。然后，將試片的異常腐蝕區進行拋磨和腐蝕，觀察異常腐蝕區的面積，并利用能譜儀對其化學成分進行分析。

3 分析與討論

3.1 探傷

因零件已基本完成加工且型面較復雜，不適合采用水浸超聲探傷。采用接觸法超聲探傷，信號顯示無異常。

3.2 低倍組織

經質量復查，GH4169G合金棒材及其鍛件毛坯在三聯冶煉、熱處理和檢驗過程中均無異常。切下異常腐蝕區(圖1)后，對零件內、外表面再次進行全面腐蝕，結果表明其余部位低倍組織均勻，未見異常(圖 2)。

圖1 異常腐蝕區宏觀形貌Fig.1 The macroscopic morphology of the abnormal corrosion spots

3.3 異常腐蝕區缺陷類別判定

采用金相顯微鏡對異常腐蝕區切片表面進行觀察，發現表面存在橢圓形黑色區域(圖3)。采用掃描電子顯微鏡對黑色區域進行分析，發現該區域整體呈現出傷疤狀形貌(圖4(a))。圖4(a)中A點和B點的能譜分析結果如圖4(b)、圖4(c)所示，A點和B點的主要成分為C和O，并含有少量Ca和Mg。同時，在圖4(a)視場的周圍區域分布的圓形黑點(圖4(d))的主要成分則為C、N、O，并含有少量Ca。

圖2 切除異常腐蝕區后零件表面的腐蝕形貌Fig.2 The macroscopic morphology of the part surface after removing the abnormal corrosion spots

圖3 異常腐蝕區切片上存在的黑色區域Fig.3 The black zones on the slice of abnormal corrosion spots

將圖3中異常腐蝕區表面黑色區域用線切割方法切開，并將切割面研磨制樣腐蝕，觀察該黑色區域沿厚度方向的組織。由圖5和圖6可知，試樣橫截面組織整體均勻，但在試樣截面淺表對應異常腐蝕區表面黑色區域的位置存在一條淺黑色粗晶條帶。與周圍均勻分布的晶粒組織相比，該淺黑色粗晶條帶區為晶粒粗大的混晶區（圖6），條帶寬約3 590.0 μm，厚度最大處約375.0 μm。混晶區中粗晶組織的平均晶粒度約5級。混晶區周圍為均勻細小的細晶組織，平均晶粒度約12級。

圖4 圖3中黑色區域表面形貌及化學成分Fig.4 The surface morphology and the chemical components of the black zone in Fig.3

圖5 圖3中黑色區域截面宏觀形貌Fig.5 The cross section macroscopic morphology of the black zone in Fig.3

圖6 圖5中黑色區域高倍組織Fig.6 The microscopic morphology of the black zone in Fig.5

分別對混晶區和正常組織區隨機選取三個位置進行能譜分析，得到元素在不同區域的分布(取平均值)，結果見表1。由表可知，與正常組織區域相比，混晶組織的Nb和Ti的含量均小于正常區域，由此可確定混晶區域為白斑[9-10]，即異常腐蝕區為白斑缺陷。由前所述，白斑區平均晶粒度約5級，正常組織平均晶粒度約12級，二者的平均晶粒度偏差超過了標準規定的1.5級[10]。

表1 正常區和混晶區的元素分布(質量分數) %Table 1 The components of the normal structure and the mixed grain structure

3.4 白斑類別判定

在圖5和圖6的白斑區截面高倍組織中，發現了零星分布的富Ca和富Mg夾雜顆粒。夾雜顆粒尺寸較小(約1.5 μm)，其形貌及能譜分析結果如圖7所示。

圖7 白斑中夾雜顆粒形貌和化學成分Fig.7 The morphology and the components of the inclusive particles in the white spots

將帶白斑缺陷的異常腐蝕區的切片，沿白斑位置處的外表面磨光腐蝕，肉眼觀察該區域呈白亮金屬光澤。白斑區域呈長約14.5 mm、最寬處約3.7 mm的類似蟲狀的長條形(圖8)，其長度超過了標準中規定的8.0 mm的最大長度[10]。

圖9為金相試樣白斑區域表面在光學顯微鏡下得到的金相照片的合成圖片。可見，蟲狀白斑區外表面低倍組織與其橫截面的低倍組織(圖6)一樣，均以白色的塊狀相為主，并且在白斑區仍可發現離散分布的富Ca、富Mg夾雜顆粒(圖10)。

圖8 白斑區表面宏觀形貌Fig.8 The surface macroscopic morphology of the white spots

圖9 白斑區表面低倍組織Fig.9 The surface macroscopic structure of the white spots

圖10 白斑中夾雜物表面形貌及化學成分Fig.10 The surface morphology and the components of the inclusions in the white spots

綜上所述，該異常腐蝕白斑區橫截面和表面高倍組織致密、無孔洞和裂紋，雖存在離散分布的富Ca和富Mg氧化物顆粒，但未見夾雜物聚集，因此基本確定該白斑缺陷非“臟”白斑，為“干凈”白斑[9-11]。

3.5 缺陷處理

根據文獻[9-10，12]可知，GH4169合金中白斑對室溫和高溫拉伸性能影響不大，但對疲勞性能存在較大影響。經本文靜強度評估結果可知，該零件白斑區部位最大等效應力約為704 MPa，滿足靜強度要求。再分別采用材料修正方法(根據GH4169G合金正常數據與相關文獻[10，12]提供的相近材料相應性能數據，外推得到GH4169G合金白斑區力學性能數據)和應力修正方法(將白斑區應力提高30%后結合正常材料數據估算零件低循環疲勞壽命)進行低循環疲勞壽命評估，發現零件白斑區部位最大等效應力均小于GH4169G合金的屈服強度，因此帶白斑缺陷零件的低循環疲勞壽命可滿足要求。帶白斑缺陷的螺栓孔部位經兩種修正方法得到的疲勞壽命相當(約2 200個循環)，但與無缺陷的螺栓孔相比疲勞壽命下降了約40%。

綜合上述強度類比評估可知，該帶白斑缺陷零件滿足基本要求。建議該批GH4169G合金零件讓步投入后續工序；試驗過程中加強監控，試驗后分解過程加強檢查。

最終階段性試驗結果表明，帶白斑缺陷零件完成了階段性試驗任務，分解檢查也未發現由此導致的損傷。

4 結論

針對生產中GH4169G合金零件低倍全面腐蝕時出現的異常腐蝕區，采用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡及能量散射譜，對正常區域和異常腐蝕區的宏觀、微觀組織形貌和化學成分進行了對比分析，得出以下主要結論：

(1)該零件的異常腐蝕混晶區為白斑缺陷，平均晶粒度約5級，與零件正常組織(平均晶粒度約12級)的平均晶粒度偏差超過了標準規定的1.5級。白斑區長度(約14.5 mm)超過了標準最大長度規定。但該白斑區高倍組織致密，無孔洞和裂紋等，且未見夾雜物聚集，由此確定為“干凈”白斑。

(2)該帶白斑缺陷零件的靜強度和低循環疲勞壽命滿足階段性試驗任務要求，且階段性試驗后分解檢查未發現異常。

(3)本研究在工程上可對GH4169G等高溫合金白斑缺陷的分析和處理提供參考，但仍需根據所分析零件的溫度、受力等工況進行詳細分析。