GH4169合金低倍暗色缺陷分析與研究

劉衛，郝恒恒，許安寧

中航試金石檢測科技（西安）有限公司 陜西西安 710089

1 序言

GH4169（美國牌號Inconel 718）是沉淀強化的鎳基高溫合金。GH4169合金具有良好的熱加工性能，在高溫下具有高的強度、塑韌性、疲勞及蠕變等優異的性能，被廣泛應用于航空航天、核能、動力及石油等領域，例如，航空發動機的渦輪盤、壓氣機盤等[1-3]。GH4169合金原材料棒材在投入生產前需進行理化檢測。某批原材料金相檢測時，發現低倍局部邊緣發暗。為了保證檢測結果正確，進行了以下分析和研究。

2 理化試驗結果及分析

2.1 低倍檢測

客戶在GH4169合金原材料復驗時，低倍試樣經標準腐蝕劑（配比為500mLHCl、35mLH2SO4、150gCuSO4·5H2O，腐蝕時間16min）浸泡腐蝕后，檢查發現低倍局部邊緣出現暗色區域，沿低倍外圓分布，測量最深處達到2cm，低倍照片如圖1所示。結合標準分析，初步判別為暗腐蝕區，需進一步進行高倍組織確認。

圖1 GH4169合金低倍照片

2.2 試驗分析

（1）顯微組織分析 從GH4169合金正常區域和暗色區域分別取顯微組織試樣，如圖2所示。經磨制、腐蝕后，在OLYMPUS GX53金相顯微鏡上觀察，GH4169合金顯微組織如圖3所示。從圖3可看出，GH4169合金顯微組織由奧氏體基體、Ni3Nb相和少量的碳化物組成。正常區域Ni3Nb相符合GE標準1級，Ni3Nb相形態為顆粒狀分布于晶內和晶界上；暗色區域Ni3Nb相大量聚集超過GE標準6級，因此確認低倍局部出現暗腐蝕區。

圖2 GH4169合金高倍試樣取樣位置

圖3 GH4169合金顯微組織

（2）晶粒分析 對兩個區域晶粒度，利用OLYMPUS GX53金相顯微鏡金相軟件（OLYMPUS m3-2020），根據GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》采用截點法測量，正常區域晶粒度為7.5級，暗腐蝕區域晶粒度為7.1級。從晶粒大小來說，兩個區域基本一致，但正常區域為等軸晶粒，晶粒大小均勻，暗腐蝕區為孿晶晶粒，晶粒大小不均勻。兩種晶粒形態的形成主要與澆鑄、鍛造過程中變形程度有關，正常區域變形量大，變形均勻，而暗腐蝕區處于棒材邊緣，變形量小、不充分，形成孿晶晶粒。

（3）力學性能分析 GH4169合金正常區域和暗腐蝕區力學性能檢測結果見表1。拉伸試樣經線切割設備取自GH4169合金原始低倍，拉伸試驗在英斯特朗電子萬能試驗機上進行。通過表1試驗結果對比分析可知，兩個區域拉伸數據均滿足標準要求，兩個區域拉伸試驗結果差異不大，但正常區域強度和塑韌性均好于暗腐蝕區域。

表1 GH4169合金力學性能檢測結果

（4）能譜分析 對GH4169合金正常區域和暗腐蝕區顯微組織試樣進行能譜分析，結果見表2。從表2可看出，兩個區域主要合金元素指標均滿足標準要求，差異體現在Nb元素上，暗腐蝕區域Nb含量超過標準要求，這是暗腐蝕區形成的主要原因，與顯微組織觀察結果一致。

表2 GH4169合金能譜分析結果

3 討論

GH4169合金Ni3Nb相的形態、數量、尺寸決定于合金的化學成分及熱加工工藝，最終決定了GH4169合金的綜合性能。

GH4169合金低倍試樣暗色區域，經過顯微組織分析可確定為暗腐蝕區；通過能譜分析可確定為Nb元素聚集導致的暗腐蝕區的形成。Nb元素在GH4169合金中主要以Ni3Nb相的形式存在，而GH4169合金中Ni3Nb相主要有顆粒狀、針狀、短棒三種形態。當GH4169合金中Nb元素過多和聚集時，Ni3Nb相聚集在一起呈片狀分布，低倍組織上呈暗色表現（見圖3c、圖3d），GH4169合金正常區域Ni3Nb相呈顆粒狀分布（見圖3a、圖3b）。

GH4169合金正常區域和暗腐蝕區晶粒大小基本一致，而顆粒狀Ni3Nb相在晶界上起到釘扎作用，強化晶界，使得GH4169合金正常區域抗拉性能優于暗腐蝕區域。在生產過程中，正常區域變形較大，晶粒為等軸晶粒，而暗色區域靠近合金邊緣，變形小，形成孿晶晶粒。等軸晶粒比孿晶晶粒大小均勻，并具有更好的晶粒結合性，因此GH4169合金正常區域的拉伸性能優于暗腐蝕區域。

此批GH4169合金原材料主要用于鍛造渦輪盤，而Ni3Nb相與鍛件終鍛溫度有關，合理的鍛造工藝有利于暗腐蝕區域的消失，保證鍛件的金相組織和力學性能符合標準要求。

4 結束語

1）GH4169合金低倍暗色缺陷為Nb元素聚集導致的暗腐蝕區。

2）晶粒形狀和Ni3Nb相分布導致暗腐蝕區拉伸性能較正常區域有所下降。