长期时效对GH4169合金组织与性能的影响

GH4169是一种沉淀强化型镍基高温合金，因在－253 ～700 ℃下综合性能优异，被广泛应用于航空航天、核电等领域 ［1］ 。 该合金服役的工作环境常常伴随着高温高压及复杂的应力作用，因此需要其在服役的过程中能够保持良好的强度和塑韧性。 此外，在航天航空、核电等领域中零件较为精细且服役时间较长不易更换，所以 GH4169合金需在长期服役过程中能够保持良好且稳定的性能。 有研究表明 ［2⁃3］ ：GH4169合金的主要强化相为 γ″相，随着长期时效的进行会生成粗化相。 γ″相是 GH4169合金中的亚稳相，在热力学上不稳定，长期时效的过程中会发生向平衡相δ相转变的趋势，δ 相形核于 γ″层错上，随着时效时间的延长，晶内大量的 γ″相发生向δ相转变，材料的拉伸性能下降，持久性能不断变弱。 本课题对经过标准热处理后的 GH4169合金进行长期时效试验，研究长期时效过程中合金组织与性能的变化规律，为材料应用工程提供理论基础。

1、试验材料及方法

试验材料通过真空熔炼 ＋ 电渣重熔制备，具体化学成分如表1 所示。 锻态 GH4169合金经９60 ℃ ×1h＋720 ℃ ×8h＋620 ℃ ×8h标准热处理后，切割成尺寸为 10mm×10mm×10mm的块状小样，并根据 ＧＢ／ Ｔ228.2—2015《金属材料　 拉伸试验　 第 2 部分：高温试验方法》制备板状拉伸试样，拉伸试样尺寸如图 1所示。 将 GH4169合金块状试样和拉伸试样在 650 ℃下分别进行 100、200、400、800、1600、2400、3200、4000h长期时效处理，在固定时间段取出试样并进行空冷，然后对不同时效时间的块状试样进行电解腐蚀，腐蚀液为80％ＨＣｌ ＋ 13％ ＨＦ ＋7％ ＨＮＯ 3 ，再通过 ＺＥＩＳＳ 金相显微镜进行组织观察；利用 ＨＲＳ⁃150 数显洛氏硬度计进行硬度测试；利用 ＣＭＴ5305 电子万能试验机对拉伸试样进行力学性能试验；利用 ＺＥＩＳＳ Ｍｅｒｌｉｎ Ｃｏｍｐａｃｔ 场发射扫描电镜对合金析出相和拉伸断口进行观察。

2、试验结果及分析

2.1　长期时效处理对显微组织的影响

GH4169合金在 650 ℃下长期时效后的显微组织如图 2 所示，从图 2 可以看出，合金长期时效后的晶粒大小并没有发生明显变化，主要是因为经过标准热处理后的合金在低温下长期时效过程中补充析出的第二相粒子具有较好的钉扎作用 ［4］ 。 但随着时效时间的延长，合金的耐蚀性明显下降，在相同的腐蚀条件下，时效时间越长，合金的腐蚀程度越深，这是因为在650 ℃下长期时效，析出相粒子充分析出，原子排列混乱，析出相和基体之间不平衡 ［5］ 。

为了更加直观地观察 650 ℃下长期时效过程中 δ相在晶界及晶内的演变规律，对 GH4169合金进行 ＳＥＭ分析，结果如图 3 所示。 可以看出，经 ９60 ℃ × 1h＋720 ℃ ×8h＋620 ℃ ×8h标准热处理后，在晶界上会析出δ相，这些δ相大部分呈不连续的短棒状。 随着长期时效的进行，δ 相发生了显著变化，晶界上的δ相逐渐增多（δ 相的析出温度为780 ～９80 ℃，理论上在650 ℃时效应该不能析出新的δ相，但是在长时间的时效过程中，合金中的元素重新分布逐渐扩散，达到一定程度后，就会在晶界上析出δ相 ［6］ ），处于晶界上的细小球状、短棒状δ相向针片状转变，原先少量针状的δ相相互平行排列，沿着晶界分布，随着时效时间的延长，逐渐朝着晶内呈针片状生长 ［7］ ，这使得扫描电镜中观察到的针片状δ相越来越多。 时效800h后，δ 相周围出现了 γ″相贫化区，如图 3（ｄ）所示，贫化区呈现平坦的形貌，表面光滑，并且与周围的δ相形成明显的界面，边界模糊，有逐渐蔓延的趋势。 从图 3（ｅ， ｆ）可以看出，时效 2400h和 4000h时，γ″贫化区逐渐变大，贫化区的硬度和强度通常会降低，对合金的性能产生不利影响。 从图 3（ｄ， ｅ）可以观察到，在δ相周围因电解腐蚀产生了剥落沟壑，剥落的原因主要有两个：①氢气和氧气的聚集会导致晶界处的电位升高，从而破坏晶界的结构和稳定性；②电解腐蚀过程中会产生一定的电流密度，这会导致晶界处的金属离子迁移，从而使晶界处的金属结构发生变化，失去原有的稳定性。

GH4169合金在 650 ℃ 长期时效过程中的 γ″、γ′相 ＳＥＭ 形貌如图 4 所示。 可以看出，析出的 γ″相呈圆盘状、圆梭状，γ′相主要呈球状。 由于长期时效的温度较低，随着时效时间的延长，晶内仍然会有细小的 γ″、γ′强化相补充析出，会使合金的拉伸强度随时效时间的延长有所提高。 经 800h以上的长期时效，合金中析出的 γ″、γ′相会明显长大；当时效时间达到 3200 ｈ时，γ″、γ′相明显发生粗化，且晶内已有部分 γ″相开始向δ相转变；时效 4000h时，晶内出现大量由 γ″相转变而来的针状δ相，并且在δ相周围出现 γ″相的贫化区 ［8⁃９］ 。

2.2　长期时效处理对力学性能的影响

GH4169合金在 650 ℃长期时效后的力学性能如图 5 所示。 从图 5（ａ）可以看出，合金的硬度随时效时间的延长呈先上升后下降的趋势。 硬度上升主要是因为在 650 ℃这种相对较低的温度下进行长期时效，会从合金基体中析出细小的析出相粒子，阻碍位错的运动和晶界的迁移，使得合金硬度提高。 当时效 100 ～800h时，因为基体中析出了大量细小的强化相，所以合金硬度上升较快。 随着时效时间的进一步延长，合金中的 γ″、γ′相长大，晶界处析出的δ相出现粗化，周围出现贫 γ″区，使得合金硬度上升趋势减缓，当时效时间延长至 3200 ｈ，晶内 γ″、γ′相粗化明显并且发生γ″相向δ相转变的过程，δ 相周围出现贫 γ″区，γ″相减少，所以合金的硬度下降。

由图 5（ｂ， ｃ）可以看出，随着时效时间的延长，合金的强度先增后减，与硬度随时效时间的变化规律相同，塑性随着时效时间的延长呈下降趋势。 长期时效过程中 GH4169合金塑性下降主要是因为合金中的 γ″相和 γ′相随着时效时间的延长不断析出长大，形成更多的析出相，导致晶界和晶内的位错密度增加，从而使合金的强度提高，塑性下降，且在长期时效后期，晶内大量 γ″相转变为δ相也会造成塑性下降。

GH4169合金在 650 ℃下长期时效后的断口形貌如图 6 所示，在低倍 ＳＥＭ 图中可以明显观察到撕裂棱和扩展面，而韧窝并不明显。 对局部区域进行放大则可以明显观察到韧窝。 根据现代断口学理论研究 ［10］ ，韧窝主要是通过显微空洞形核聚集长大的机制形成的。 γ″、γ′相是 GH4169合金时效过程中的主要析出相，时效 100 ～800h时，合金中不断析出数量较多、尺寸较小、原子间距较小的 γ″、γ′相，此时断口表现出来的韧窝浅、小且密集，随着时效时间延长至 3200h以后，γ″、γ′、δ 相长大粗化，并且晶内的许多 γ″相转变为尺寸更大的δ相，此时断口中的韧窝变得大而深，且伴随有大而深的孔洞出现。 这一断口形貌的变化从侧面印证了组织中析出相的演变规律。

3、结论

1） GH4169合金经 ９60 ℃ ×1h＋720 ℃ ×8h＋620 ℃ ×8h标准热处理后，在 650 ℃长期时效过程中晶粒尺寸没有发生明显的变化。 随着时效时间的延长，析出相充分析出，原子排列混乱，合金耐蚀性下降。长期时效初期，晶界处的δ相数量增加，在时效 800 ｈ时，晶界处的δ相边缘部分出现贫 γ″区，边界模糊并且有蔓延趋势，在时效 4000h时，形成较宽的贫 γ″区。

2） 由于 650 ℃长期时效的温度较低，时效 100 ～800h时晶内会补充析出许多细小的析出相，随着时效时间延长至 1600 ～ 2400 ｈ，γ″、γ′相逐渐长大，时效3200h时，γ″、γ′相发生明显粗化，并且晶内 γ″相开始向δ相发生转换，随着时效时间进一步延长至4000 ｈ，大量的 γ″相转变为δ相，且晶内δ相周围出现贫γ″区。

3） 在 650 ℃下长期时效时，GH4169合金的硬度随着时效时间的延长呈先上升后下降的趋势，时效初期硬度上升主要是因为在较低温度下长期时效补充析出许多细小的强化相，时效后期硬度下降与析出相长大粗化及 γ″相转变为δ相的组织演变有关。 合金抗拉强度及屈服强度的变化规律与硬度一致，塑性随时效时间的延长呈不断下降的趋势。

4） 在650 ℃下时效100 ～800h时，合金中不断析出尺寸较小、原子间距较小的 γ″、γ′相，断口中的韧窝浅、小且密集。 随着时效时间的延长，γ″、γ′、δ 相长大粗化，并且晶内的许多 γ″相转变为尺寸更大的δ相，故断口中的韧窝变得大而深，且伴随有大而深的孔洞出现。 该断口形貌变化侧面印证了 GH4169合金在长期时效过程中析出相的演变规律。

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