外應(yīng)力對(duì)GH4169合金時(shí)效強(qiáng)化作用的影響

秦龍 ,3 ,3

(1.北京市理化分析測(cè)試中心，北京100094；2.有機(jī)材料檢測(cè)技術(shù)與質(zhì)量評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094；3.北京市科學(xué)技術(shù)研究院分析測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100089；4.鋼鐵研究總院高溫材料研究所，北京 100081)

GH4169合金是一種以體心四方Ni3Nb(γ″) 和面心立方Ni3(Al,Ti,Nb) (γ′) 沉淀析出強(qiáng)化的鎳基高溫合金，在高溫和高應(yīng)力環(huán)境下具有良好的強(qiáng)度和抗蠕變性能，并具有良好的抗氧化、耐腐蝕性能以及良好的加工性能和焊接性能，廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端部件，如渦輪盤、壓氣機(jī)盤、傳動(dòng)軸等[1,2]。

該合金工件在鍛造和固溶處理后的水淬過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較高量級(jí)的殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力會(huì)在時(shí)效熱處理過(guò)程中可以得到部分釋放，一般認(rèn)為經(jīng)過(guò)時(shí)效后未得到完全釋放的殘余應(yīng)力會(huì)影響合金強(qiáng)化相的析出，并對(duì)工件后續(xù)精加工和服役性能產(chǎn)生極大影響[3]。已有學(xué)者對(duì)鋁合金的應(yīng)力時(shí)效熱處理進(jìn)行了研究，研究表明外部應(yīng)力的施加同樣會(huì)對(duì)時(shí)效強(qiáng)化效果產(chǎn)生較大影響[4-6]。然而國(guó)內(nèi)外對(duì)高溫合金施加外應(yīng)力后的時(shí)效熱處理方面的研究非常少，因而探知不同水平外應(yīng)力時(shí)效熱處理對(duì)GH4169合金強(qiáng)度的影響十分必要。

熱處理由于爐溫度范圍大、爐溫控制精確等優(yōu)點(diǎn)[7]，比較適合GH4169合金的固溶、快速冷卻、時(shí)效等熱處理工藝。然而為了研究的科學(xué)與便捷，應(yīng)力時(shí)效熱處理需要對(duì)較小的拉伸試樣進(jìn)行多流程的應(yīng)力保載，熱處理爐無(wú)法施加拉壓應(yīng)力，用于較小試樣時(shí)效率較低，用于較大盤件時(shí)需要后續(xù)加工，會(huì)對(duì)試樣產(chǎn)生加工硬化等影響，而且熱處理爐用于多流程連續(xù)熱處理時(shí)不夠靈活，在應(yīng)力時(shí)效熱處理的應(yīng)用中有很多限制。

本實(shí)驗(yàn)采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)GH4169合金進(jìn)行應(yīng)力時(shí)效熱處理，該方法將應(yīng)力保載與熱處理相結(jié)合，操作靈活，可以對(duì)較小試樣進(jìn)行時(shí)效，提高了實(shí)驗(yàn)效率。熱處理后通過(guò)室溫拉伸試驗(yàn)，分析了時(shí)效過(guò)程中的外應(yīng)力的施加對(duì)合金強(qiáng)度的影響規(guī)律。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)用固溶態(tài)GH4169合金利用VIM+ESR+VAR(真空感應(yīng)熔化+電渣重熔+真空自耗重熔)方法得到，其主要化學(xué)成分(wt,%)見(jiàn)表1。

表1 GH4169合金化學(xué)成分 wt%

為便于后續(xù)微觀組織觀察和力學(xué)性能測(cè)試，試樣按照?qǐng)A形橫截面標(biāo)準(zhǔn)拉伸圖紙進(jìn)行機(jī)加工，試樣夾持端為M12螺紋，平行段直徑5mm，標(biāo)距25mm，長(zhǎng)度30mm，試樣尺寸見(jiàn)圖1。

圖1 拉伸試樣尺寸

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器采用MTS工業(yè)系統(tǒng)(中國(guó))公司生產(chǎn)的C45.105型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。使用儀器的M12螺紋夾具夾持圓棒試樣，并用自帶高溫爐對(duì)試樣平行段進(jìn)行加熱，通過(guò)微機(jī)程序控制在熱處理過(guò)程對(duì)試樣施加穩(wěn)定的拉壓保載應(yīng)力。熱處理結(jié)束后降至室溫，在同一儀器上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)方法

將機(jī)加工的試樣進(jìn)行如下熱處理：

(1)980℃固溶處理1h；

(2)空冷(80℃/min)至500℃；

(3)分別在0MPa(S0)、-100MPa(S1)、100MPa(S2)、-300MPa(S3)和300MPa(S4)應(yīng)力保載條件下720℃時(shí)效0.5h、2h和8h。

將熱處理結(jié)束后降至室溫的試樣按照標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 228.1-2010金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)屈服前采用引伸計(jì)控制，應(yīng)變速率為0.00025/s，屈服后采用橫梁位移控制，應(yīng)變速率為0.0067/s，測(cè)量試樣的屈服強(qiáng)度Rp0.2和抗拉強(qiáng)度Rm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

圖2顯示了合金屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度在不同外應(yīng)力的條件下，隨著時(shí)效時(shí)間的變化規(guī)律。時(shí)效初期，合金強(qiáng)度隨著時(shí)效時(shí)間的增加急劇升高，時(shí)效中后期，隨時(shí)效時(shí)間增加，合金強(qiáng)度升高緩慢。時(shí)效8h后，S0(無(wú)應(yīng)力，0MPa)試樣強(qiáng)度最高。

圖3a表示時(shí)效0.5h后，試樣屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨不同外應(yīng)力的變化規(guī)律。無(wú)外應(yīng)力施加的S0試樣強(qiáng)度最低，施加了不同拉壓外應(yīng)力之后，試樣強(qiáng)度均有所提高，并且隨著外應(yīng)力絕對(duì)值的升高，試樣強(qiáng)度也有升高的趨勢(shì)。這表明，短時(shí)的應(yīng)力時(shí)效可以提高合金強(qiáng)度。與此形成對(duì)比的是長(zhǎng)時(shí)時(shí)效8h(圖3b)后，無(wú)外應(yīng)力施加的S0試樣屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度最高，并且隨著外應(yīng)力絕對(duì)值的升高，試樣強(qiáng)度逐漸降低。由此可知，隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，外應(yīng)力會(huì)逐漸阻礙合金的強(qiáng)化效果。

GH4169合金時(shí)效強(qiáng)化效果主要由γ″沉淀強(qiáng)化相的尺寸和數(shù)量決定。在時(shí)效初期，外應(yīng)力的施加會(huì)強(qiáng)烈地促進(jìn)γ″相的形核和析出，γ″相數(shù)量明顯增多，合金強(qiáng)度急劇升高。隨著時(shí)效時(shí)間的增長(zhǎng)，外應(yīng)力的促進(jìn)作用導(dǎo)致γ″相粗化，因而在時(shí)效中后期合金強(qiáng)度緩慢升高。時(shí)效8h后，不同外應(yīng)力條件下γ″相體積分?jǐn)?shù)非常接近，因而合金強(qiáng)度對(duì)γ″相的平均尺寸更加敏感。外應(yīng)力會(huì)促進(jìn)形核速率，合金內(nèi)部的形核密度更大，從而導(dǎo)致γ″相平均尺寸減小，應(yīng)力時(shí)效強(qiáng)度反倒有所降低。

圖2 GH4169合金時(shí)效后屈服強(qiáng)度(a)和抗拉強(qiáng)度(b)變化規(guī)律

圖3 GH4169合金時(shí)效0.5h(a)和8h(b)后強(qiáng)度變化規(guī)律

3 結(jié)論

將萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的力控和加熱結(jié)合應(yīng)用于高溫合金應(yīng)力時(shí)效熱處理中，實(shí)現(xiàn)了GH4169合金施加外應(yīng)力的時(shí)效方法。對(duì)時(shí)效處理后合金強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明，外應(yīng)力的施加對(duì)GH4169合金時(shí)效強(qiáng)化有顯著影響。

[1]Zhang J M, Gao Z Y, Zhuang J Y, et al. Strain-rate hardening behavior of superalloy IN718[J]. Journal of Materials Processing Technology, 1997, 70(1-3):252-257.

[2]Oblak J M, Paulonis D F, Duvall D S. Coherency strengthening in Ni base alloys hardened by DO 22, γ′ precipitates[J]. Metallurgical Transactions, 1974, 5(1):143-153.

[3]Webster G A, Ezeilo A N. Residual stress distributions and their influence on fatigue lifetimes [J].International Journal of Fatigue, 2001, 23(1):375-383.

[4]Chen J, Chen Z, Guo X, et al.Changing distribution and geometry of S′ in Al-Cu-Mg single crystals during stress aging by controlling the loading orientation[J]. Materials Science & Engineering A, 2016, 650:154-160.

[5]Guo W, Yang M, Zheng Y, et al. Influence of elastic tensile stress on aging process in an Al-Zn-Mg-Cu alloy [J]. Materials Letters, 2013, 106(9):14-17.

[6]Shang F U, Dan-Qing Y I, Liu H Q, et al. Effects of external stress aging on morphology and precipitation behavior of θ″ phase in Al-Cu alloy[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2014, 24(7):2282-2288.

[7]朱斌. 熱處理電阻爐[M].上海： 上海科學(xué)技術(shù)出版社, 1999：54-60.