GH4169合金的低溫沖擊試驗

孔永華 王 飛 李東方 陳國勝 朱世根

1 引言

GH4169合金是Ni-Cr-Fe基時效強化變形高溫合金，因其具有良好的綜合性能，在中國主要用于航空、航天領域［1-2］。中國某先進火箭發動機的關鍵轉動部件就是采用GH4169合金制造的，該部件工作環境相當苛刻，設計部門對它的性能要求十分嚴格，其中一個性能指標就是低溫沖擊性能［3］。為了提高部件的可靠性，對GH4169合金徑鍛試樣低溫沖擊時晶粒大小對沖擊功與的影響和低溫沖擊與室溫沖擊所需沖擊功大小進行研究分析，并進一步對徑鍛件和熱連軋件低溫沖擊時的所需要的沖擊功大小進行對比和研究，同時用SEM觀察了沖擊斷口。

2 試驗材料和方法

試驗用料系寶鋼集團特殊鋼分公司提供的GH4169合金，鍛件采用真空感應+真空自耗的雙聯冶煉工藝，鑄錠高溫擴散退火工藝為:1 160℃/24 h+1 190℃/72 h/空冷。鑄錠經開坯、徑向鍛造成φ95 mm的鍛件，徑向鍛造采用一火鍛造，在1 005—1 020℃附近加熱，始鍛溫度控制在960℃左右，終鍛溫度在940—980℃范圍內。取邊緣和中心部位，分別經機加工成10 mm×10 mm×55 mm(V型缺口)的標準沖擊試樣［4］。試驗時先把試樣在-196℃的液氮中浸泡5 min，然后進行沖擊試驗。沖擊試驗機的型號為ZBC2302B，最大沖擊功為300 J，試驗后分別在金相顯微鏡和SEM下觀察沖擊試樣的金相組織和沖擊斷口。

3 晶粒度對沖擊功的影響

分別取GH4169高溫合金鍛件的邊緣和中心部分，加工成夏比(V型缺口)標準沖擊試樣，試驗時，先把試樣在-196℃的液氮中浸泡5 min，然后進行沖擊試驗。低溫沖擊試驗的數據如表1，由表1可知邊緣部位低溫沖擊時的吸收功要比中心部位的吸收功大，也就是說邊緣部位要比中心部位晶粒細小，在低溫沖擊時，所需的沖擊功要大。

表1 GH4169合金不同部位低溫沖擊數據Table 1 Impact data of alloy GH4169 different parts at low temperature

觀察邊緣和中心試樣的宏觀斷口，發現宏觀斷口表面呈暗灰色，斷口由源區，放射區和剪切唇區組成。源區在缺口附近，隨后是放射區，三個自由表面則是剪切唇區。圖1、圖2為微觀斷口顯示，無論是試樣的邊緣還是中心部位的源區，放射區和剪切唇區均為韌窩斷裂，源區和放射區的韌窩較大、較深，源區大韌窩中有明顯的蛇形滑移花樣，剪切唇區對的韌窩較小、較淺。

圖1 GH4169徑鍛試樣邊緣低溫沖擊顯微組織Fig.1 Microstructures of as-forged alloy GH4169 in edge place at low temperature impact

圖2 GH4169徑鍛試樣中心低溫沖擊顯微組織Fig.2 Microstructures of as-forged alloy GH4169 in center place at low temperature impact

上述試驗數據可以表明:晶粒大小對GH4169合金的低溫性能有一定影響。晶粒越細小，在低溫沖擊時所需要的沖擊功也就越大;反之亦然。分析其原因，在試樣斷裂過程中，一方面晶粒細小的地方，裂紋萌生幾率大;晶粒粗大的地方，裂紋萌生幾率小［5］。另一方面在低溫沖擊過程中，位錯在晶粒邊界塞積，來不及攀移，就形成了微裂紋。但是后者起到了主要作用。因此，晶粒細小的地方，裂紋萌生點多，但是在裂紋擴展時，由于應力集中，裂紋前端應力場較大，位錯會在晶界的位置塞集，阻礙位錯的運動，最終導致裂紋形成功較大，反之亦然。總的來說，晶粒細小的試樣，所需要的沖擊功大。

4 室溫沖擊和低溫沖擊的比較

取徑鍛件的邊緣做成夏比(V型缺口)試樣，分別在室溫和低溫條件下進行沖擊試驗。低溫沖擊試驗時，先把試樣在-196℃的液氮中浸泡5 min，然后進行沖擊試驗，試驗數據如表 2。由表 2可知:GH4169高溫合金在室溫和液氮溫度下進行沖擊試驗，所需要的沖擊吸收功差別不大，也就是說從室溫到液氮溫度其沖擊韌性幾乎沒有降低。

表2 GH4169合金不同溫度下的沖擊數據Table 2 Impact data of alloy GH4169 at different temperatures

如圖3所示，觀察觀察試樣室溫沖擊的宏觀斷口和沖擊斷口的SEM照片，宏觀斷口表面呈暗灰色，斷口由源區，放射區和剪切唇區組成。源區在缺口附近，隨后是放射區，三個自由表面則是剪切唇區。微觀斷口顯示，源區，放射區和剪切唇區均為韌窩斷裂。源區和放射區的韌窩較大，較深，剪切唇區的韌窩較小、較淺。放射區韌窩中有明顯的蛇形滑移花樣。分析低溫韌性和室溫韌性幾乎一樣的原因，可能有以下兩方面的原因:一方面是化學元素的影響。晶界上如有大量P，Mn等元素偏聚，就是使其產生脆硬相，增加了晶界的脆性，并且使晶界原子排列混亂，削減了界面結合力。但是當 P≤0.04%，Mn≤0.35%，Si≤1.3%時，就會獲得較好的低溫韌性。

圖3 GH4169徑鍛試樣邊緣室溫沖擊顯微組織Fig.3 Microstructures of as-forged alloy GH4169 in edge place at room temperature impact

由表3可知，在GH4169高溫合金的化學成分中，發現P、Mn、Si的含量都小于這個標準，這是其低溫韌性較好的一個方面原因［6］。

表3 GH4169合金的化學成分(質量分數)Table 3 Chemical analysis of alloy GH4169(mass fraction) %

另外，只有以體心立方金屬為基的冷脆金屬才具 有明顯的低溫脆性，在可用滑移系統足夠多、阻礙滑移的因素不因條件而加劇的情況下，材料將保持足夠的變形能力而不表現出脆性斷裂，以面心立方為基的金屬就屬于這種情況［7］。但是體心立方為基的金屬，在溫度較高的情況下，變形能力尚好，滑移面不受阻礙，但在低溫條件下，間隙雜質原子與位錯和晶界相互作用的強度增加，阻礙位錯運動，封鎖滑移的作用加劇，使得對變形的適應能力減弱。因此，低溫脆性還取決于晶格類型。在GH4169高溫合金中，Ni占到50%—55%，是主要的成分，而Ni是面心立方結構，因此在低溫的情況下使GH4169高溫合金不具備低溫脆性，在液氮的溫度下仍然具有較好的韌性。

綜合以上兩方面，GH4169高溫合金在低溫時仍然具有和室溫時幾乎一樣的沖擊韌性。

5 GH4169合金不同工藝的低溫沖擊比較

分別取 GH4169 徑鍛工藝［8］和熱連軋［9］工藝下的GH4169合金的邊緣做成夏比(V型缺口)試樣，進行低溫沖擊試驗。試驗數據如表4。由表4可知:GH4169高溫合金在低溫沖擊時時，熱連軋件所需要的沖擊功要遠遠大于徑鍛件，也就是說，在低溫時，GH4169高溫合金熱連軋件的韌性要遠遠好于徑鍛件。

表4 GH4169合金徑鍛試樣和熱連軋工藝下低溫沖擊數據Table 4 Impact data of alloy GH4169 at low temperature between forging and hot rolling

觀察熱連軋低溫沖擊試樣的宏觀斷口和沖擊斷口的SEM照片圖4，發現GH4169高溫合金徑鍛試樣和熱連軋試樣宏觀斷口，表面均呈暗灰色，斷口由源區，放射區和剪切唇區組成。源區在缺口附近，隨后是放射區，3個自由表面則是剪切唇區。

圖4 GH4169合金熱連軋試樣邊緣室溫沖擊顯微組織Fig.4 Microstructures of hot rolling alloy GH4169 in edge place at room temperature impact

微觀斷口均顯示，源區，放射區和剪切唇區均為韌窩斷裂。剪切唇區對的韌窩較小、較淺。源區和放射區的韌窩較大，較深，源區大韌窩中有明顯的蛇形滑移花樣。

分析GH4169高溫合金低溫時，GH4169高溫合金熱連軋件的韌性要遠遠好于徑鍛件的原因，在于GH4169高溫合金在進行熱連軋過程中，通過熱軋變形過程中發生的動態再結晶及道次間的靜態(亞穩態)再結晶獲得了細小的晶粒，由于晶粒細小，晶界相對于就會增多，裂紋擴展時，由于應力集中，裂紋前端應力場較大，位錯會在晶界的位置塞集，阻礙位錯的運動，最終導致熱連軋試樣的低溫韌性要遠遠好于徑鍛試樣［10］。

6 結論

(1)GH4169高溫合金在低溫沖擊時，由于位錯在晶粒邊界塞積，來不及攀移，晶粒越細小，晶界越多，對位錯的阻礙越大，所需要的沖擊功越大，沖擊韌性就越好。

(2)GH4169高溫合金由于P，Mn，Si含量較少，基體Ni具有面心結構，使GH4169高溫合金不具備低溫脆性，因此，從室溫到液氮溫度其沖擊韌性幾乎沒有降低。

(3)GH4169高溫合金在熱軋變形過程中發生的動態再結晶以及道次間的靜態(亞穩態)再結晶獲得了細小的晶粒，使得其沖擊韌性要遠遠好于經過徑鍛工藝處理過的試樣。

1 李 彤.69111、GH4169材料的研究與應用［J］.工程技術，2010(6):39-40.

2 莊景云，杜金輝，鄧 群，等.變形高溫合金GH4169［M］.北京:冶金工藝出版社，2006.

3 王正道，陶瑞峰.GH132高溫合金的低溫力學性能［J］.低溫工程，1999(5):27-29.

4 陳 武，石金鋼，王春華.標準沖擊試樣的應用［J］.物理測試，2010，28(1):56-58.

5 杜金輝，莊景云，鄧 群，等.GH4169高溫合金的低溫沖擊性能［J］.鋼鐵研究學報，1998(1):31-37.

6 黃明華.可鍛鑄鐵低溫脆性研究［J］.昆明理工大學學報，1997(12):135-137.

7 孫方遒.冶金因素對低溫脆性的影響［J］.遼寧師專學報，2007(1):96-97.

8 陳國勝，王慶增，劉豐軍，等.GH4169合金細晶棒材的徑鍛工藝及其組織與性能［J］.寶鋼技術，2009(3):52-55.

9 陳國勝，王慶增，張玩良，等.GH4169合金細晶棒材的連軋工藝及其組織與性能［J］.材料工程，2010(4):18-21.

10 趙忠剛.熱連軋GH4I69合金的組織結構與蠕變行為［D］.沈陽:沈陽工業大學，2009.