不同熔煉工藝生產(chǎn)的GH4169合金組織和性能研究

唐凱明，黃偉，浦學誼，張磊

江蘇隆達超合金航材有限公司 江蘇無錫 214105

1 序言

GH4169是一種Ni-Cr-Fe基沉淀硬化型變形高溫合金，在650℃以下具有較高的強度和塑性、良好的抗疲勞和耐蝕性，是目前航空航天領域應用最為廣泛的高溫合金[1-3]。生產(chǎn)過程主要包括熔煉、均勻化處理、開坯鍛造、熱處理和機加工等工序[4]，其中第一步的熔煉十分關鍵，將直接影響后續(xù)的工序，熔煉工藝的選擇需要在嚴格保證化學成分精確的前提下，綜合考慮應用對象、顯微組織、力學性能及生產(chǎn)成本等因素[5]。因此，本文研究并討論不同熔煉工藝生產(chǎn)的GH4169合金組織和性能的特點，為實際生產(chǎn)中合理地制定熔煉工藝提供參考。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

試驗采用的是江蘇隆達超合金航材有限公司分別通過雙聯(lián)熔煉工藝：真空感應熔煉（VIM）+真空自耗重熔（VAR），三聯(lián)熔煉工藝：真空感應熔煉（VIM）+氣氛保護電渣重熔（ESR）+真空自耗重熔（VAR）生產(chǎn)的GH4169合金φ430mm鑄錠，經(jīng)均勻化處理后，使用4500t快鍛機開坯鍛造成φ220mm毛坯棒材，再車加工成φ200mm成品棒材，其化學成分見表1。

表1 不同熔煉工藝生產(chǎn)棒材的化學成分 （質(zhì)量分數(shù)） （%）

2.2 試驗方法

在成品棒材頭部截取厚度為20mm的圓片，采用線切割沿圓片半徑的邊緣R/2、中心處取樣作為金相試樣，拉伸棒坯在R/2處取樣，如圖1所示。

圖1 試樣取樣

試樣采用GH4169合金標準的熱處理工藝：固溶處理為加熱至960℃，保溫1h，空冷；時效處理為加熱至720℃，保溫8h，然后以50℃/h爐冷至620℃，保溫8h，空冷。

金相試樣的檢測位置對應圓片的徑軸向，經(jīng)熱鑲、研磨、拋光后，使用20m L鹽酸+20m L乙醇+1.5g硫酸銅進行化學腐蝕，采用ZEISS AxioImager A2m金相顯微鏡觀察顯微組織，使用ZEISS ProImaging后處理軟件統(tǒng)計晶粒度。拉伸棒坯經(jīng)機加工成標準試樣，按GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》、GB/T 228.2—2015《金屬材料 拉伸試驗 第2部分：高溫試驗方法》分別進行室溫拉伸試驗和高溫拉伸試驗。

3 試驗結果

3.1 顯微組織

雙聯(lián)熔煉和三聯(lián)熔煉工藝生產(chǎn)的棒材邊緣、R/2、中心的顯微組織如圖2、圖3所示。

從圖2可看出，雙聯(lián)熔煉工藝生產(chǎn)的棒材邊緣呈現(xiàn)細小再結晶圍繞著變形拉長晶的不均勻組織，3.5級的晶粒占70%，9.5級的晶粒占30%。R/2處和中心處主要是均勻的等軸晶，R/2處晶粒度為9級，氮化物輕微偏聚。中心處晶粒度為7.5級，一些晶粒內(nèi)部伴有孿晶。

圖2 雙聯(lián)熔煉工藝生產(chǎn)的棒材的顯微組織

從圖3可看出，三聯(lián)熔煉工藝生產(chǎn)的棒材各部位主要是均勻的動態(tài)再結晶組織，邊緣處晶粒度為10級，R/2處和中心處的晶粒度均為9.5級。雙聯(lián)和三聯(lián)熔煉工藝生產(chǎn)的棒材，沿晶界都有少量的δ相析出。

圖3 三聯(lián)熔煉工藝生產(chǎn)的棒材的顯微組織

3.2 力學性能

雙聯(lián)和三聯(lián)熔煉工藝生產(chǎn)的棒材的室溫和高溫拉伸性能見表2。從表2可看出，三聯(lián)熔煉工藝生產(chǎn)的棒材的屈服強度和抗拉強度均高于雙聯(lián)熔煉工藝。

表2 不同熔煉工藝生產(chǎn)的棒材的拉伸性能

4 討論

雙聯(lián)和三聯(lián)熔煉工藝都采用了真空感應熔煉和真空自耗重熔，真空感應熔煉能夠得到組織致密、優(yōu)質(zhì)高純的電極棒，真空自耗重熔可以減輕鋼錠中Nb偏析[6]。三聯(lián)熔煉工藝中的保護氣氛電渣重熔使用氬氣將高溫電極及液態(tài)渣池與空氣隔離，有效降低了電渣錠中的氮含量，因此顯微組織中氮化物少，合金的純潔度高。研究表明，經(jīng)固溶和時效熱處理后，基體中析出的細小γ＂強化相提高了合金強度，沿晶界析出的δ相能夠起到釘扎作用，阻礙晶粒的長大，促進動態(tài)再結晶的生成，因此雙聯(lián)和三聯(lián)熔煉工藝生產(chǎn)的棒材，室溫和高溫拉伸性能均滿足技術要求。

5 結束語

1）相比于雙聯(lián)熔煉工藝，三聯(lián)熔煉工藝生產(chǎn)的GH4169合金顯微組織中氮化物少，純潔度高，組織均勻。

2）經(jīng)固溶和時效熱處理后，三聯(lián)熔煉工藝生產(chǎn)的棒材，屈服強度和抗拉強度優(yōu)于雙聯(lián)熔煉工藝。