GH4169合金葉片葉身表面白條紋分析

湯浩，李永斌，張新強，陳犇，劉依依

中國航發貴州黎陽航空動力有限公司 貴州貴陽 550000

1 序言

GH4169合金（相當于Inconel 718)是一種沉淀強化型Ni-Fe基高溫合金，以γ奧氏體為基體，BCC結構的亞穩相γ''為主要強化相，正交晶系的δ相為穩定相。由于其在－253～650℃時具有優良的耐腐蝕、抗疲勞性能，以及良好的塑性、焊接性能，因此廣泛用于航天轉動部件[1，2]。某型機壓氣機轉子葉片即為GH4169合金制造。該類葉片經腐蝕檢查工序時，發現多批葉片葉身表面存在白條紋，為此我們系統地研究了葉片葉身表面白條紋形成的原因，并分析了白條紋對葉片疲勞壽命的影響。

2 檢測

2.1 宏觀及顯微鏡檢查

該葉片葉身表面的白條紋均沿葉身縱向呈線性分布，與灰褐色基體分界明顯。在三維視頻顯微鏡下將白條紋放大觀察，白條紋區域晶粒相對基體較為粗大，局部呈現金屬光澤，在基體位置也可見彌散分布的白點，如圖1所示。

圖1 試驗葉片葉身白條紋宏觀特征

沿白亮狀條紋所在平面磨制金相試樣，在光學顯微鏡下觀察，葉身基體及白條紋區域均未見夾雜物集聚、偏析特征。將試樣腐蝕后觀察，葉身組織呈混晶特征，白條紋區域為線性分布的粗晶聚集帶，如圖2所示。宏觀而言，粗晶相對細晶更易被腐蝕，葉身經表面腐蝕工藝后，粗晶聚集帶形成了線性淺腐蝕區，基體中彌散分布的大晶粒形成淺腐蝕白點。

圖2 葉身表面組織特征

2.2 SEM技術檢測

將金相試樣放置在掃描電鏡（SEM）下觀察，結果表明：葉片葉身δ相為顆粒狀+短棒狀，主要沿晶界析出，晶內析出極少；白條紋區域δ相較為稀疏，基體位置的δ相較為密集，如圖3所示。這是由于GH4169合金中δ相主要通過晶界的胞狀反應，在晶界和孿晶界上非均勻析出[3，4]。基于鎳基合金細化晶粒工藝（MinigrainTMProcessing），由于GH4169合金δ相釘扎晶界，阻礙了晶界擴展，使得晶粒生長受到阻礙，故δ相含量較多的區域，晶粒一般較為細小；反之，晶粒較為粗大[5，6]。

圖3 試驗葉片葉身電鏡下δ相形貌特征

此外，在基體部位可觀測到大量白塊狀析出物（見圖3c），而白條紋區域則未見到此類析出物。分別對基體、白條紋區域、白塊狀析出物做能譜分析，結果見表1。能譜分析結果表明：白條紋區域未見異常元素，但wNb相比基體低約15%；白塊狀析出物是以Nb、Ti元素為主的碳化物，其中wNb約為66%。試驗葉片原材料來源于真空感應熔煉+電渣重熔+真空電弧爐重熔的合金錠，此類合金錠在凝固過程中總是存在樹枝狀偏析[7]。對于GH4169合金，樹枝間富Nb、Ti元素，枝干部位則貧Nb、Ti元素，由于這類偏析會遺傳至材料成品中，形成粗細晶條帶偏析、δ相與γ''相的條帶偏析，所以在鍛造過程中，這類偏析會一直存在。

表1 試驗葉片能譜分析結果（質量分數） （%）

3 分析討論

δ相是一種正交晶系的穩定相，其分子式為Ni3（Nb0.8Ti0.2）[8]。Nb不僅是δ相的主要組成元素，莊景云等[7]的研究也表明，隨著Nb含量的增加，δ相的溶解溫度隨之升高，如圖4所示。因此，GH4169合金中Nb含量決定了δ相的數量。試驗葉片鍛造原材料存在Nb偏析，致使鍛件部分區域貧Nb，貧Nb區域δ相含量稀少，對晶界的釘扎作用較弱，形成了粗晶區。在鍛造過程中，粗晶區域沿鍛造流線分布，經腐蝕工序檢查時，粗晶區域形成線性淺腐蝕區，宏觀表現即為白條紋。

圖4 Nb含量對δ相溶解溫度的影響

GH4169合金中的主要強化相為BCC結構的亞穩相γ''，其分子式為Ni3Nb。δ相作為γ''的平衡相，兩者分子式相似，主要組成元素均含有Nb。由于Nb偏析，試驗葉片葉身基體位置析出以Nb元素為主的碳化物及大量δ相，必然消耗合金中過多的Nb，導致局部γ''相貧化，進而合金基體弱化，強度明顯下降，為裂紋萌生和擴展提供通道[9]；白條紋區域δ相較為稀少，使材料具有缺口敏感性[7]，這對于轉動零件是不允許的，因為這會是零件瞬間破裂的隱患。KOBAYASHI等[10]研究了Inconel718合金粗晶和細晶的高周疲勞性能：細晶材料中，在107周次下，疲勞強度是抗拉強度的51%，而粗晶材料在相同周次下，疲勞強度僅為抗拉強度的32%。洪班德等[11]的研究也表明，Inconel718合金沿晶界鋸齒狀分布的δ相可提高材料對裂紋沿晶擴展的能力，而粗晶試樣的疲勞壽命只有細晶的約1/3。因此，沿葉身鍛造流線分布的粗晶帶，在葉片高頻轉動的情況下會成為疲勞裂紋的萌生源，降低葉片的疲勞壽命。

4 結束語

1）該GH4169合金葉片葉身表面的白條紋，為沿鍛造流線分布的粗晶帶。

2）GH4169合金Nb元素偏析會導致局部貧Nb，貧Nb區域δ相含量稀少，對晶界的釘扎作用較弱，形成了粗晶區。

3）GH4169合金葉片葉身存在Nb偏析，基體析出以Nb元素為主的碳化物及大量δ相，導致局部γ''相及δ相貧化，進而合金基體弱化，局部存在缺口敏感性，降低葉片疲勞壽命。