改型GH4133A合金長期時效的性能穩定性研究

張冬梅，國振興，楊樹林，史鳳嶺，王玉華

(1.中航工業 沈陽黎明航空發動機 (集團)有限責任公司，沈陽 110043; 2.中國人民解放軍 駐黎明公司軍代表室，沈陽 110043)

改型GH4133A合金長期時效的性能穩定性研究

張冬梅1，國振興1，楊樹林2，史鳳嶺1，王玉華1

(1.中航工業 沈陽黎明航空發動機 (集團)有限責任公司，沈陽 110043; 2.中國人民解放軍 駐黎明公司軍代表室，沈陽 110043)

對經過標準熱處理改型GH4133A合金，在650、700和750℃進行長時間的時效處理，測量其室溫拉伸和沖擊性能、硬度、400℃拉伸性能和在750℃/343 MPa條件下持久性能.結果表明:在650℃和700℃下時效時，合金的性能變化規律一致，性能具有良好的穩定性.而在750℃時效時，合金的室溫拉伸和400℃拉伸性能在時效500 h以前保持穩定，500 h以后隨時效時間的增長而下降;合金的室溫沖擊性能在時效300 h以前保持穩定，300 h后下降;合金在750℃/343 MPa條件下，在時效600 h以前，持久性能壽命很穩定，基本保持在100 h左右，時效600 h以后的持久壽命迅速下降.

改型GH4133A合金;長期時效;性能穩定性

改型GH4133A高溫合金是在GH4133基礎上，適當提高合金元素Al和Ti的含量，并添加合金元素Nb發展而成的一種以Ni－Cr固溶體為基體，以γ'相為主要強化相，經過時效強化并且增加了微量元素Mg和Zr的新型鎳基合金.該合金屈服強度高，并且有較高的熱強性、良好的綜合性能和足夠的抗氧化性能［1，2］.改型GH4133A合金屬于耐高溫的強韌化材料，多用于飛機發動機的Ⅰ、Ⅱ級渦輪盤材料.該合金的工作溫度為650～ 700℃，環境十分惡劣，為了保證合金有長期的使用壽命和安全可靠性，合金必須具備足夠的組織和性能穩定性［3，4］.為此，在前期對改型GH4133A合金在長期時效過程中的組織行為特征的研究基礎上［5］，本文對改型GH4133A合金長期時效的性能穩定性進行了研究，以便更好地認識該類合金性能變化特點，對改型GH4133A高溫合金的安全使用提供理論支持和科學依據.

1 試驗材料和試驗方法

試驗材料為采用非真空感應爐加電渣重熔雙聯工藝生產的90 mm方鍛材，其化學成分如表1所示.材料長期時效試驗前均進行標準熱處理(1 080±10℃×8 h，空冷+750℃±10℃ ×16 h，空冷)，其標準熱處理后的力學性能和技術條件見表2所示.根據合金的使用溫度，長期時效的試驗溫度選擇為650、700和750℃，時效時間為50、100、300、500、600、1 000和2 000 h.

考慮合金常規性能和綜合性能的要求，力學性能主要測試合金的室溫拉伸性能、室溫沖擊性能、硬度、400℃拉伸性能和在750℃/343 MPa條件下的持久性能等.

表1 試驗材料的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of the tested material(mass fraction) %

表2 合金標準熱處理后的力學性能和技術條件Table 2 The technical condition and properties of GH4133A alloy after standard heat－treatment

2 試驗結果與討論

2.1 650℃長期時效過程中力學性能的變化

表3為改型GH4133A高溫合金650℃長期時效過程中力學性能的變化.可以看出，合金的室溫拉伸強度(σb、σ0.2)在時效1 000 h以前不僅沒有下降，反而上升，峰值出現在600～1 000 h.σb隨時效時間的延長而上升，1 000 h后緩慢下降，時效2 000 h后，σb仍相當于正常熱處理時σb的水平(正常熱處理后的σb為1 196 MPa);屈服強度隨著時效時間增長至峰值后下降，時效2 000 h后的σ0.2稍微低于正常熱處理后的806 MPa;合金的室溫拉伸塑性(δ、ψ)在整個時效區間隨時效時間的加長平緩下降，但經2 000 h時效后，合金的δ和ψ略微比正常熱處理后的值低.從表3的室溫拉伸性能指標可以看出，塑性的下降與強度的提高相對應.

從表3可以看出，合金室溫沖擊aK值在時效1 000 h以前保持不變，這正是合金強度的提高和塑性下降共同作用的結果.時效1 000 h后，因合金拉伸強度的下降，使得合金的aK值也趨下降;合金的硬度在長期時效過程中下降甚微，幾乎保持正常熱處理的硬度值不變.

在400℃拉伸時，合金的σb隨時效時間的增長上升，1 00 h時效前 σb上升較快，100 h至1 000 h時效區間σb基本穩定，時效1 000 h以后σb有下降趨勢，但至2 000 h時效σb仍高于合金正常狀態的最高強度(1 098 MPa);合金正常熱處理后在400℃拉伸的σ0.2為752 MPa，σ0.2在時效100 h以前是上升的，而300 h以后則平緩下降.這一點與σb的變化規律不同，時效2 000 h，σ0.2和合金正常狀態的σ0.2相等;合金的400℃拉伸δ5和ψ在時效的全過程中緩慢下降，在100 h至1 000 h時效區間，合金的塑性曲線比較平穩，2 000 h時效以后，合金400℃拉伸塑性也變化不大，δ5和ψ仍分別為21%和28%.

對于在750℃/343 MPa條件下的持久性能，合金的光滑持久壽命和塑性在50～1 000 h時效區間均隨著時效時間的增加而提高，100 h時效合金的持久壽命為130 h，1 000 h時效后持久壽命為150 h.從表3可以看出，合金在650℃下長期時效，其持久性能穩定，時效1 000 h以后，合金持久壽命稍有下降，但經2 000 h時效后合金持久壽命仍為80 h左右.δ5和ψ在1 000 h時效以前有所提高，1 000 h時效，δ5和ψ均在4%以上，2 000 h時效的δ5和ψ仍然為2%和3%左右.

GH4133A合金在650℃長期時效過程中的性能變化與組織變化密切相關，根據對合金的組織的研究［5］，GH4133A合金在650℃長期時效過程中，其組織穩定.γ'相在時效過程中補充析出，1 000 h時效γ'相顆粒不長大.晶界面上的相由薄片狀、大樹枝晶狀的M4B3和顆粒狀的M23C6隨時效時間加長向顆粒狀M23C6轉變.1 000 h后晶界上為細小顆粒的M23C6.從而合金各項強度指標隨時效時間的增長有所提高，塑性指標幾乎保持不變.1 000 h時效后合金性能隨組織變化有所變化，合金各項性能指標2 000 h時效后仍大大超過技術條件的要求.

表3 GH4133A合金650于℃長期時效的性能Table 3 The properties of GH4133A alloy after aging at 650℃ for different time

2.2 700℃長期時效合金力學性能的變化

表4顯示了GH4133A合金在700℃長期時效過程中力學性能的變化.從表4可以看出，室溫拉伸的σb在100 h以前隨時效時間的增長上升(正常熱處理后的σb為1 196 MPa)，至100 h時效σb為1 265 MPa，100 h至2 000 h時效，合金的斷裂強度基本不變;屈服強度在時效的全過程保持正常熱處理狀態水平(正常熱處理后屈服強度806 MPa);δ5和ψ由正常狀態的30%和33%均勻下降至22%;由于強度不變，aK變化規律和拉伸塑性相同，2 000 h時效的aK值為34.3 J/cm2;合金的硬度在時效過程中不變.

合金400℃拉伸σb和σ0.2隨時效時間的增長呈上升趨勢.2 000 h時效σb和σ0.2分別比正常熱處理(值分別為1 098 MPa和752 MPa)的高出118 MPa和78 MPa;δ5在時效過程中均勻下降，2 000 h時效δ5值和650℃的一樣;ψ在100 h時效前有些下降，而在100 h以后平緩上升，到2 000 h時ψ值和原態相等.

700℃長期時效，合金的持久性能很穩定.與650℃時效比較有一明顯特點，即在整個時效過程中合金的持久壽命緩慢下降，1 000 h時效不產生突變，時效2 000 h持久壽命仍為90 h這樣高的水平;持久塑性(δ5、ψ)在100 h至1 000 h時效區間恒定不變，1 000 h后稍有下降.

根據對合金組織的研究［5］，GH4133A合金在700℃長期時效過程中組織是穩定的.γ'相在時效過程中補充析出，M23C6含量增加.1 000 h合金晶界略有加寬，2 000 h時效后γ'相顆粒變大.300 h時效晶界面上為顆粒M23C6，細小枝晶狀相已很少，1 000 h后M23C6顆粒已較大.從而合金各項性能指標在時效的全過程中基本上保持不變，2 000 h時效后性能仍大大超過技術條件的要求.

表4 GH4133A合金700℃長期時效的性能Table 4 The properties of GH4133A alloy after aging at 700℃ for different time

2.3 750℃長期時效合金力學性能的變化

表5顯示了GH4133A合金在750℃長期時效的力學性能的變化.合金在高的溫度下長期時效，不僅使得晶界形態以及強化相顆粒尺寸發生變化，而且合金產生相變，所以合金性能的變化比較復雜.

從表5可以看出，在室溫下拉伸變形時，合金抗拉強度σb在時效500 h以前基本上保持穩定，500 h以后隨時效時間的增長而下降，時效2 000 h后的σb降到1 098 MPa;σ0.2總的來看比σb下降快一些，500 h以前緩慢下降，500 h以后下降較快;δ5、ψ在500 h以前保持穩定，500 h后略有下降，時效600 h的δ5、ψ均為22%左右，更長的時效，合金的δ5和ψ保持不變.這是因為合金在750℃下時效500～600 h時，新相析出使得合金性能下降［5］.

合金的室溫沖擊aK值在時效300 h以前保持恒定，300 h后下降，時效500 h至2 000 h的aK值基本保持穩定，可見aK對組織的變化更為敏感，合金的硬度隨時效時間的增長下降.由于γ'相長大的速度較大［5］，所以該溫度下時效時合金硬度下降比650℃、700℃為快.

合金在400℃拉伸時，σb在時效500 h以前基本穩定，500 h以后稍有下降;σ0.2在500 h時效以前緩慢下降，500 h以后下降較快;而δ5的值在600 h至2 000 h時為22%，500～600 h時效沒有突變點;ψ變化規律和δ5差不多，但在時效500 h有下降的突變點，使得ψ比δ5在更長的時效時低，這是因為新相的析出對400℃拉伸塑性的ψ更有所影響.

合金高溫下長期工作首先要考慮合金的持久壽命.GH4133A合金時效600 h以前，在750℃/ 343 MPa條件下的持久性能仍很穩定，基本保持在100 h左右，但在合金出現新的相后，持久性能下降，600 h以后的持久壽命迅速下降，1 000 h時效后合金的持久壽命只有30 h左右.持久的δ5和ψ值變化規律一樣，在500 h以前均隨時效時間的增加而有所上升，500 h時效后塑性因新相析出而下降，600 h出現最低點，但在 600 h至2 000 h時效區間，δ5和ψ值卻迅速上升.

根據對合金的組織的研究［5］，GH4133A合金在750℃下長期時效，合金的組織在500 h時效后開始出現η相，這時晶界上偶能見到η相，600 h后晶界上均有η相析出.η相隨時效時間加長進一步析出、變長，粗化成片狀，由晶界向晶內生長，2 000 h后晶內也析出η相.η相充分析出造成晶界貧γ'相區，貧γ'相區隨時間增長變寬.由于合金500 h時效出現η相，各項性能指標曲線出現拐點.但少量的η相尚不能影響合金性能，600 h時效后合金性能才下降.

表5 GH4133A合金750℃長期時效的性能Table 5 The properties of GH4133A alloy after aging at 750℃ for different time

3 結論

(1)改型GH4133A合金經過650℃和700℃長期時效后，室溫拉伸和沖擊性能、硬度、400℃拉伸性能和在750℃/343 MPa條件下持久性能無明顯變化，表現出良好性能穩定性，合金的所有性能指標超過技術條件的要求，具備長期使用的可靠性.

(2)改型GH4133A合金經過750℃長期時效后，合金的室溫拉伸性能和400℃拉伸性能在在時效500 h以前基本上保持穩定，500 h以后隨時效時間的增長而下降.合金的室溫沖擊aK值在時效300 h以前保持恒定，300 h后下降，500～2 000 h時效aK值基本保持穩定.合金在750℃/ 343 MPa條件下，在時效600 h以前，持久性能壽命很穩定，基本保持在100 h左右，600 h以后的持久壽命迅速下降.持久的δ5和ψ值變化規律一樣，在500 h以前均隨時效時間的增加而有所上升，500 h時效后塑性下降，600 h出現最低點，但在600 h至2 000 h時效區間，δ5和ψ值卻迅速上升.

［1］師昌緒，李恒德，周廉.材料科學與工程手冊(上卷－第6篇)［M］.北京:化學工業出版社，2004.

(SHI Chang－xu，LI Heng－de，ZHOU Lian.Material science and engineering manual(first volume－sixth paper)［M］.Beijin:Chemical Industry Press，2004.)

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［3］Park N K，Kim I S，Na Y S，et al.Hot forging of a nickelbase superalloy［J］.Joural of materials processing technology， 2001，111(1):98－102.

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［5］張冬梅，國振興，陳仲強，等.改型GH4133A合金長期時效的組織穩定性研究［J］.材料與冶金學報，2010，9(2): 121－126.

(ZHANG Dong－mei，GUO Zhen－xing，CHEN Zhongqiang，et al.Study of structure stability in modified GH4133A alloy after long－term aging［J］.Journal of materials and metallurgy，2010，9(2):121－126.

Study on stability of mechanical properties for modified GH4133A alloy after long－term aging

ZHANG Dong-mei1，GUO Zhen-xing1，YANG Shu-lin2，SHI Feng-ling1，WANG YU-hua1
(1.AVIC Shenyang Liming Aero－Engine(Group)Corporation Ltd，Shenyang 110043，China; 2.Office of Chinese Peoples Liberation Army in Shenyang Liming Aero－engine(Group)Corporation，Shenyang 110043，China)

Mechanical properties of a modified GH4133A alloy after standard heat treatment followed by long time aging treatment at 650℃，700℃ and 750℃ respectively were tested at room temperature and high temperature.The results indicated that the change of the tensile and impact property at room temperature，the hardness，the tensile property at 400℃ and stress－rupture life at 750℃/343 MPa is identical，and mechanical properties stability is good in the modified GH4133A alloy after long－term aging at 650 and 700℃.On the other hand，when the aging temperature is 750℃，the tensile properties at room temperature and 400℃ are steady before 500 h aging，and then decrease with the aging time from 500 h to 2 000 h.The impact property is steady before 300 h aging，and it begins to decrease after 300 h.The stress－rupture life at 750℃/343 MPa is steady before 600 h aging，the value is about 100 h，and then reduces distinctly with the aging time from 600 h to 2 000 h.

modified GH4133A alloy;long－term aging;mechanical properties stability

TG 142.1

A

1671-6620(2012)03-0202-05

2012-06-01.

國家自然基金資助項目 (50901014).

張冬梅 (1978—)，女，工程師，E－mail:zhangdmdd@sohu.com;史鳳嶺 (1964—)，男，研究員級高級工程師，E－mail:sylm_sfl@yahoo.cn.