GH4169合金組織對持久性能的影響

文／鄧瑞剛，薛強，廖毅·陜西宏遠航空鍛造有限責任公司

王建國·西北工業大學

利用金相及SEM分析了相同工藝制備的外形結構類似GH4169合金壓氣機盤鍛件的持久試樣組織，結果表明：①晶粒尺寸顯著影響GH4169合金的持久性能，尺寸增大可以有效提高持久壽命；②相近晶粒尺寸條件下，一定范圍內δ相含量越高持久性能越好。

GH4169合金是一種以面心立方奧氏體為基，以γ"相[Ni3(Nb，Al，Ti)]為主要強化相并輔以γ'相[Ni3(Al，Ti)]強化的鎳基高溫合金，在650℃以下具有較高的強度及塑性，良好的持久性能，是目前高溫合金領域發展最成功、用途最廣泛的合金，廣泛用于航空航天領域，特別在先進航空發動機的壓氣機盤和渦輪盤零件上是最主要的材料之一。近年來，我國在發動機鍛件研制過程中多次出現GH4169合金壓氣機盤鍛件持久性能不達標現象，本文以液壓機成形的盤鍛件為研究對象，分析了組織對持久性能的影響規律。

試料狀態

研究用試料均為國外GH4169棒料于1010℃兩火次鐓餅+1000℃油壓機模鍛制備的壓氣機盤鍛件，其中編號11、12、13試樣取自持久性能不合格（見表1）的盤鍛件，編號21、22、23試樣取自持久性能合格（見表1）的盤鍛件，兩件盤鍛件結構尺寸相似，鍛件制備過程中加熱溫度相同，變形量相當。

表1 試樣編號及持久性能

結果與分析

圖1 不同試樣的金相組織

表2 不同試樣的晶粒尺寸

圖1為不同試樣的金相照片，經過晶粒統計得到不同試樣的晶粒尺寸如表2所示。可以看出該批鍛件的整體晶粒度較細，均在ASTM10級以上，與圖2前期持久性能較好（晶粒度ASTM10級，持久67h）鍛件的組織相比較細，這應該是本批鍛件整體持久性能較低的一個主要原因。試樣23持久性能相對較好，與其他試樣相比最大的特征也是其晶粒尺寸稍稍較大，因為在高溫狀態下，晶界是薄弱環節，晶粒尺寸增大，晶界面積減少，持久斷裂擴展的通道就減少了，從而提高了持久性能。

圖2 持久性能較好盤件組織

圖3為其試樣在1k倍下的掃描照片，從圖中可以看出各試樣的δ相的含量與分布情況，并對不同試樣的δ相的含量進行了統計如表3所示。可以看出，合格盤鍛件的δ相的含量普遍偏高，δ相的減少會對盤件的性能有一定的影響。

δ相（Ni3Nb）不是GH4169合金的強化相，其析出會消耗部分的γ"相形成元素Nb，降低材料的強度，提高材料的塑韌性，若析出過多或以針狀析出也會對塑性不利，且影響合金的持久性能，但δ相對提高晶界強度有重要作用，均勻分布的球狀和短棒狀δ相有助于細化晶粒、釋放晶界周圍的應力集中，平衡晶界強度。因此對GH4169合金而言，δ相與γ"相存在交互作用，兩者共同決定合金力學性能，δ相含量存在一最佳的范圍。楊玉榮等人曾以國產材料為研究對象，在其實驗中發現5%左右的δ相對持久壽命貢獻最大，但本批國外材料鍛件直至12%的δ相含量仍表現為有益于持久壽命，試樣22與不合格盤件組織晶粒度相當，持久壽命明顯高于編號為11、12、13的試樣，持久性能的差異主要是受δ相差異的影響。

圖3 不同試樣的δ相分布

表3 不同試樣的δ相含量

圖4為試樣在30k倍下的掃描照片，可以看出各個標號下的γ"相均勻分布，在尺寸、含量及形態上并沒有較大的差別，因此初步判斷γ"相對盤件在持久性能上的影響并不大。

圖4 不同試樣的γ"相分布

結論

⑴GH4169合金鍛件的晶粒度顯著影響其持久性能，晶粒尺寸增大可以有效提高持久性能；

⑵相近晶粒尺寸條件下，一定范圍內δ相含量越高持久性能越好。