Nb含量對GH4169合金組織和拉伸性能的影響

胡仁民,信 欣

(1.寶武特種冶金有限公司,上海 200940; 2.中國科學院金屬研究所,遼寧 沈陽 110016)

高溫合金因其良好的高溫強度和抗氧化抗腐蝕,優異的抗疲勞和抗蠕變性能、斷裂性能和組織穩定性而廣泛應用于航空發動機和工業燃氣輪機的渦輪葉片、導向葉片、渦輪盤和燃燒室等零部件[1-3],其中變形高溫合金GH4169經過半個多世紀的不斷改進和發展,目前已成為產量最大、使用面最廣的一種鎳基合金[4-6]。

GH4169合金是一種鐵—鎳—鉻基變形高溫合金,合金組織由γ基體,δ相,碳化物和強化相γ″、γ′等組成,在-253～650 ℃得到廣泛的應用[7]。Ni是形成γ奧氏體基體元素;Cr在GH4169合金中的含量較高,達到17.0%～21.0%(質量分數,下同),可增加合金的抗腐蝕和抗氧化能力;Mo、Co為固溶強化元素;Nb、A1、Ti為時效強化元素,加入Nb可形成Ni3Nb型體心四方結構的γ″相以及加入Al和Ti形成Ni3(Al,Ti)型面心立方結構的γ′相,由于Al和Ti含量較低,兩者之和僅為1.05%～1.85%,所以γ′相的數量較少,同時Nb含量較高,達到4.75%～5.50%,故γ″相是決定GH4169合金強度的關鍵因素。因此,研究Nb 元素含量對合金組織和拉伸性能的影響對提高GH4169 合金工藝性具有重要指導意義。

1 試驗方法及結果

1.1 試驗方法

采用真空感應爐冶煉不同Nb含量的GH4169合金4爐,鑄錠重25 kg,4爐合金的成分分析如表1所示,主要是Nb含量不同,其他元素含量基本相同。鑄錠經過均勻化處理后,鍛造成40 mm×40 mm的方截面坯料,并進一步1火次熱軋制成φ17 mm的軋棒。為了消除其他因素對Nb作用的干擾,需保持4爐合金的各種加工工藝相同。

表1 試驗合金的化學成分

在軋棒上切取金相和力學性能試樣,進行標準的固溶+時效熱處理,熱處理制度為:965 ℃×1 h,AC+720 ℃×8 h,FC(50K/h)+620 ℃×8 h,AC。熱處理后的拉伸試棒加工成標準的M10×57 mm拉伸試樣,采用金相顯微鏡(OM)和掃描電鏡(SEM)對固溶+時效樣品進行了組織觀察,測試了室溫和650 ℃拉伸性能。

1.2 試驗結果

1.2.1 組織變化

合金試樣的軋態組織如圖1所示。由圖1可知,軋態合金晶粒為均勻的等軸晶,再結晶狀況良好,晶粒度為ASTM 11級。合金經過965 ℃固溶處理后,由于Nb含量的降低減少了起晶界“釘扎”作用的δ相,另一方面,固溶處理時心部的冷卻速率最慢,從而導致4.99% Nb合金在軋棒心部可觀察到少量的晶粒長大區域,晶粒約長大為ASTM6級,大部分區域晶粒未見長大,如圖2(a)所示。其他Nb含量合金的軋棒未見晶粒長大,如圖2(b)～(d)所示。合金經過固溶+時效處理后,晶粒度變化情況與固溶處理后的情況無明顯變化,值得注意的是,隨著Nb含量的增加,合金晶界析出相δ明顯增多,見圖3。

對低Nb(4.99%)和高Nb(5.50%)的合金軋態和熱處理態的試樣進行了掃描電鏡觀察,如圖4、5所示。兩個合金在軋態時,由于軋制溫度高且軋制后規格小,冷卻快,故晶界析出相極少,而且尺寸極小,晶內也未見析出相,如圖4所示。經過標準固溶+時效處理后,由于δ相含Nb,所以低Nb合金的晶界δ相析出數量和尺寸明顯少于高Nb合金,如圖5所示,晶內析出相低Nb合金尺寸也略小于高Nb合金,如圖5(a)、(b)所示。上述結果表明,Nb元素的增加促進了δ相、γ″相的析出和長大。

1.2.2 性能變化

不同Nb含量合金標準固溶+時效態室溫拉伸和650 ℃拉伸性能如表2和表3所示。拉伸結果表明,由于Nb含量的增加促進了強化相γ″相的析出,故室溫拉伸和650 ℃的拉伸強度隨Nb含量的增加逐漸增加,拉伸塑性則變化不明顯。

表2 室溫拉伸試驗結果

表3 650 ℃拉伸試驗結果

1.2.3 拉伸斷口觀察

對低Nb的1#合金和高Nb的4#合金的室溫拉伸和650 ℃拉伸斷口進行了觀察,結果如圖6、7所示。由圖可見,低Nb合金和高Nb合金的拉伸斷口都為典型的杯錐形斷口,斷口由心部的裂紋萌生擴展區和邊緣的瞬斷區兩部分組成,兩者無顯著差別。對裂紋萌生擴展區高倍觀察可見,室溫拉伸和650 ℃拉伸斷口都呈韌窩型斷裂,塑性變形特征明顯,在部分韌窩處可見碳化物,這種組織為典型的孔洞聚集型斷裂,即裂紋萌生擴展于晶內,試樣斷裂主要與晶內強度有關。

由組織觀察結果可知,Nb促進了晶內γ″相的析出和長大,而晶內γ″相的狀態對晶內強度至關重要,因此Nb可改善合金的拉伸性能,這顯然與拉伸性能的測試結果是一致的。

1.2.4 相圖計算結果

為了驗證試驗結果,利用Thermal-Cal 軟件對GH4169合金的析出相進行了計算,其中Nb元素在4.99%～5.50%變化,其他元素如表1中的成分,計算結果如圖8 所示。由圖可見,隨著Nb 元素含量從4.99%增加至5.50%,強化相γ″質量分數隨溫度的降低、Nb元素含量的升高而升高,其中在650 ℃由14.3%提高至15.6%。本研究中,Nb 元素含量高達5.50%,高Nb顯著促進強化相γ″的析出,與試驗結果吻合。

2 結論

(1) 隨Nb元素含量的增加,GH4169合金晶界δ相和晶內γ″相的析出量增加。

(2) 隨Nb元素含量的增加,GH4169合金室溫拉伸強度增加,室溫拉伸塑性略有降低。

(3) 隨Nb元素含量的增加,GH4169合金650℃拉伸強度增加,但650 ℃拉伸塑性幾乎無變化。

(4) 對于強度要求相對高的情形,建議Nb含量控制在5.25%～5.50%。