GH738合金晶粒組織與力學性能的關聯性

田沛玉

摘 要：研究了不同原始晶粒組織對鎳基高溫合金GH738不同溫度拉伸性能及持久性能的影響。分別利用光學金相顯微鏡（OM）和掃描電鏡（SEM）對不同原始組織的合金晶粒組織、γ′相分布、拉伸和持久斷口進行研究，同時測試不同溫度拉伸強度和730℃/550MPa以及815℃/295MPa組合持久性能。結果表明：隨實驗溫度提高，實驗用GH738合金拉伸斷裂方式由準解理斷裂向穿晶韌性斷裂最后到穿晶沿晶混合斷裂轉變；815℃以下，實驗用合金細晶組強度和持久壽命最佳，815℃下，三組合金強度和持久壽命幾乎相同，815℃接近實驗用合金的等強溫度。

關鍵詞：GH738；斷口；等強溫度；γ′相；鎳基高溫合金

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.11.040

GH738合金（Waspaloy），是一種典型的γ′相析出強化型鎳基高溫合金。具有良好的強韌化匹配性、抗疲勞蠕變交互性和高溫長時組織穩定性等特性，被廣泛應用于石油化工、航空航天及各種熱端部件[1-2]。國內該合金前期主要用于地面煙機渦輪盤及葉片、航空封嚴環及緊固件，近年來，經過一系列的工藝優化，發展出了滿足航空發動機渦輪盤用的優質GH738合金[3]。

GH738合金因其應用領域不同，對其組織狀態和性能要求也不盡相同[4]。渦輪盤用GH738合金需考察其強度和疲勞性能，兼顧一定的持久性能；而葉片用GH738合金主要考察其持久及蠕變性能；緊固件用GH738合金需考慮其缺口敏感性和應力松弛性能。不同的晶粒組織和γ′相的尺寸、含量及分布均對GH738合金性能產生很大的影響，本文主要研究三種不同原始晶粒狀態（細晶、粗晶和混晶）的GH738合金經過相同條件熱處理后其不同條件下力學性能變化規律，為合金在不同領域應用選材提供參考。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

實驗用材料取自鍛態GH738合金棒材，主要成分見表1。原始顯微組織如圖1（a）～（f）所示。合金原始晶粒組織分為三組，如圖1（a）～（c）所示，細晶組平均晶粒尺寸為24μm，混晶組約為30%粗晶（約118μm）和70%細晶（約18μm），粗晶組平均晶粒尺寸為66μm。三組晶粒組織合金對應的基體原始γ′相形貌如圖1（d）～（f）所示，三組合金原始基體γ′相基本無差異，均存在三種尺寸γ′相，且三種尺寸γ′相均為邊緣帶鋸齒的近似球形，大尺寸一次γ′相約300nm，二次γ′相在80nm左右，更小尺寸的三次γ′相在20nm左右。多種尺寸的γ′相是鍛造及冷卻過程中γ′相多次爆發形核及長大的結果[5]。

1.2 實驗方法

三種不同晶粒組織的試樣經過1020℃×4h×油冷+845℃×4h×空冷+760℃×16h×空冷處理后，分別觀察晶粒組織、γ′相、不同溫度拉伸和持久性能以及對應斷口變化規律，拉伸和持久性能取雙樣以排除誤差波動干擾。

2 實驗結果及分析

2.1 熱處理對顯微組織的影響

經過相同制度的熱處理之后，GH738合金晶粒尺寸如圖2（a）～（f）所示，三組試樣晶粒尺寸基本不變，基體中γ′相經過回溶和再析出后，有兩種尺寸的γ′相，g?相為均勻球形，且三種原始晶粒尺寸的實驗組中γ′相含量、尺寸和分布基本無差異，一次γ′相均勻分布于晶界和晶內，平均尺寸仍為300nm，二次γ′相平均尺寸為45nm，無更小尺寸的三次γ′相。

說明經過相同制度的熱處理后，三組試樣晶粒尺寸基本與鍛態相同，三組之間析出相無明顯差異，一次γ′相尺寸相對鍛態基本無變化，二次γ′相尺寸減小，更小更密集的二次γ′相有利于提高合金拉伸強度、持久壽命和疲勞性能[6-7]。

2.2 原始晶粒組織對拉伸性能的影響

圖3（a）和（b）分別為熱處理后三組試樣的室溫拉伸、535℃拉伸及815℃拉伸性能。隨著拉伸溫度的升高，三組試樣強度逐漸下降，815℃以下，三者強度順序均為σ細晶>σ混晶>σ粗晶，因混晶組織中18μm細晶比例約占70%，所以在815℃以下，三組試樣強度遵循Hall-Petch效應。而815℃拉伸抗拉強度和屈服強度三組幾乎相同，此時，三者不再遵循Hall-Petch關系，初步斷定815℃接近實驗用GH738合金的等強溫度。

圖4（a）～（i）分別為熱處理后三組試樣的室溫拉伸、535℃拉伸及815℃拉伸斷口。可以看出，室溫下三種組織拉伸試樣斷口均為準解理斷口，細晶組準解理撕裂棱比較小，有大部分穿晶斷裂；粗晶組織斷口撕裂棱較多，但也有部分穿晶斷裂現象；而混晶組織斷口介于兩者之間。室溫下，三組拉伸試樣斷口與晶粒尺寸明顯相關。535℃拉伸下，三組組織拉伸試樣呈典型的穿晶斷口形貌，但韌窩較細小，可以看到夾雜物斷裂源。而815℃拉伸條件下，三組試樣拉伸斷口均為穿晶-沿晶混合斷口，且韌窩均為等軸韌窩，粗晶斷口上可以看到部分凸起的晶界。從斷口結果可以說明，室溫及535℃條件下，試驗用GH738合金晶界強度高于晶內強度，拉伸以準解理或穿晶方式斷裂，而815℃條件下，三者均以穿晶-沿晶混合方式斷裂，證明此時晶界與晶內強度相當，該溫度接近合金的等強溫度。

2.3 原始晶粒組織對持久性能的影響

圖5為三種組織實驗合金730℃/550MPa、815℃/295MPa組合持久壽命結果，所測試的試樣均斷在光滑段，說明合金經過上述制度熱處理后，無缺口敏感性。另外，730℃/550MPa條件下，持久壽命τ細晶>τ混晶>τ粗晶，而815℃條件下，三者持久壽命相當。

蠕變持久變形可通過多種機制產生，控制蠕變的形變機理因試驗溫度和應力的不同而不同[8]。低溫大應力條件下，合金持久蠕變主要變形機制是晶內位錯運動機制。由2.2節可知，低于815℃條件下，晶界強度高于晶內強度，因此，730℃條件下，合金變形機制主要為晶內位錯運動機制。該條件下持久壽命受合金強度影響較大，隨粗晶百分比含量的增大，合金強度降低，持久壽命也隨之降低，從圖3和圖4結果可以看出730℃/550MPa持久壽命與室溫及535℃拉伸強度變化趨勢基本一致。

高溫低應力條件下，合金持久蠕變主要變形機制是晶界滑動。此時，合金的持久壽命隨粗晶百分比含量的增大而增加。而815℃接近實驗用GH738合金的等強溫度，此時合金晶界和晶內強度相當，因此合金持久蠕變變形機制受晶內位錯運動和晶界滑動的影響程度相當，因此，815℃條件下，三組實驗用合金拉伸強度和持久壽命均基本無差異。

3 結論

（1）隨溫度升高，實驗用GH738合金拉伸斷裂方式由室溫拉伸的準解理斷裂轉變到535℃拉伸的穿晶韌斷最后到815℃拉伸的穿晶-沿晶混合斷裂。

（2）815℃接近實驗用GH738合金的等強溫度，該溫度下，不同原始晶粒組織合金強度基本相同。815℃以下，合金晶粒組織與強度呈顯著的Hall-Petch關系。

（3）低溫高應力下，GH738合金蠕變持久變形機制表現為與細晶強化相一致的晶內位錯運動機制；高溫低應力下，其變形機制逐漸向晶界滑動轉變。

參考文獻：

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