热处理工艺对GH4169高温合金锻件组织与力学性能的影响

GH4169高温合金是以有序体心四方γ"相和面心立方的γ'相沉淀强化的镍-铬-铁基高温合金，在 700℃以下使用，性能优良，应用广泛[1]。该合金组织性能受锻造、热处理等热加工工艺的影响明显。合金在锻造变形过程中，发生着δ相的溶解和析出、γ"相 和 γ'相的溶解和析出、动态再结晶等一系列复杂的相变，锻造加热温度、变形温度、变形量、变形速率对这些相变过程都有明显的影响，因此也直接影响锻件的组织和性能。GH4169合金锻件的热处理工艺有固溶时效和直接时效。固溶处理工艺是950〜980℃ 保 温1h ,空冷、油冷或水冷。时效工艺是720℃ 保 温 8 h，以（50±10)℃/h 的速率炉冷至620℃ ，保温 8h,空冷。实际生产中如何合理制定热处理工艺参数、优化锻件的组织和性能需要进行研究。本文进行了调整热处理参数的工艺试验，研究了热处理工艺 对 GH4169合金锻件组织与性能的影响。

1、试验材料与方法

试验材料取自GH4169盘类锻件，尺寸为小506mmx74mm,原材料的化学成分见表1。首先制成圆饼并冲孔，再经模具锻造成型，始锻温度为990℃ ,终锻温度为930℃ ,锻后空冷至室温。锻造后选择表2 的热处理工艺方案进行试验，试验完成后，按照图1 取样图进行取样下料，拉伸试棒尺寸见图2。高倍组织试样尺寸为20mmx20mmx20mm的方块，打磨抛光后进行腐蚀，腐蚀液的组分为46% FeCl3+54%HCL,腐蚀10〜15s,选择高倍显微镜观察组织形貌。

2、试验结果及简析

2.1 热处理工艺试验结果

不同工艺方案下的室温力学性能见表3

由表3 可看出，方案2对比方案1，锻件固溶处理时间延长，970℃ 保温时间由1h 延长至3h，抗拉强度和屈服强度都降低，分 别 降 低19和35MPa,塑性相当。结果表明：延长锻件固溶时间会降低室温拉伸性能。方案3 对比方案1，降低了锻件固溶温度，抗拉强度和屈服强度都降低，分别降低了 2 0 和 71MPa,塑性相当。在标准允许范围内，选择合适的固溶温度是固溶处理的一大难题，本试验结果显示：970℃ 固溶效果优于950℃ 固溶效果。表 2 中，方案4 延长了锻件在620℃ 保温时间，结果显示：抗拉强度提高了 9MPa，屈服强度提高了 17MPa，塑性相当。延长620℃ 保温时间可补充析出少量γ'相,使强度提高。

2.2 热处理固溶过程对GH4169锻件组织和δ相的影响

GH4169锻件中δ相的数量、形貌、分布能反映热变形过程的合理性和材质的均匀性，进而影响锻件的力学性能。在热处理固溶温度下存在δ相的析出和溶解，也会影响δ相的形态和数量，这涉及如何合理的选择固溶加热过程和最终的加热温度。所以，选取了GH4169锻件进行了固溶处理对组织和δ相析出影响的工艺试验。

当固溶处理温度在950〜980℃ 时 ，对锻件晶粒度 影 响 不 大 （图 3 ) , 这是因为相的溶解温度在980℃ 以上，当晶界相溶解时，相对晶粒尺寸的抑制作用开始消失，晶粒随着温度升高和保温时间延长而长大[2]，目前固溶温度均低于980℃ ,因此晶粒度变化不大，经过固溶处理后，相析出增多并更加均匀（图4)。在 950〜980℃ 时，随温度升高，δ相析出减少。

2.3 时效冷却速率对性能的影响

GH4169热处理标准中普遍要求时效的冷却速率为(50±10)℃/h,也有标准对冷却速率不做具体要求 ，仅仅要求总的时效时间不低于18h。为了研究冷却速率对性能的影响，采用直接时效工艺对GH4169锻件做了不同冷却速率降温后的拉伸性能对比试验 ，不同时效冷却速率下试样的拉伸性能如表4所示。

结果显示，较慢的降温速率对锻件的性能无明显影响。这说明时效标准中，对冷却速率的要求是综合考虑工艺的稳定性、生产效率和预期的时效效果给出的。较慢的冷却速率相当于延长了总的时效时间，没有有害相的析出。

3、讨论与分析

GH4169合金固溶加热和保温过程中，发生 γ"相 、γ'相的溶解和δ相的析出。固溶温度、时间、升温方式对最终固溶的效果都有影响。标准规定的固溶温度范围为950〜980℃ , 在此温度范围内固溶，对盘锻件晶粒度影响不大。经过固溶处理后，相析出增多并更加均匀，固溶时间较短时，相仅在晶界呈一定角度析出，随着固溶时间延长，除了在晶界，在晶粒内部也析出了一定数量的相，晶界析出的相会起到钉扎作用，强化晶界，但其会相应的消耗合金中的主要强化相γ"中的Nb元素，导致合金性能下降。在950〜980℃时 ，随温度升高，δ相析出减少。δ相本身没有强化作用，但其形态和数量对锻件组织性能具有重要影响,δ相过少，会出现缺口敏感性,δ相过多，会降低强度、冲击、持 久 和 蠕 变 性 能 δ相的数量和形态主要决定于锻造过程。在标准热处理条件下 ，固溶温度、时间和升温速率对δ相是有影响的，但不明显。试验结果表明：固溶时间过长会降低抗拉和屈服强度。通过在环件取样进行重复固溶的试验同样表明，强度随固溶次数的增多而不断下降。

时效过程中发生γ"相 、γ'相的弥散析出使合金强化。γ'相为球状，与基体完全共格，组织稳定性较高 ； 相为盘片状 ，以其盘面分别平行于基体(001)、（010)和（100)面析出，为 GH4169合金的主要强化相，因为其与基体较大的点阵错配度，显著的共格应力强化效果可以获得较高的屈服强度[4]。在720℃ 保 温 8h,析 出 γ"相 和 γ'相 ，随 后 经 620℃ 保温 8h，主要析出γ'相。合 金 在 锻 态 下 含 有 相 和 γ'相 ，约 为 7 % , 时效后达到15%左右。合 金 在 620〜680℃ 时效，发生持续硬化而不发生软化，在 720〜740℃ 数小时出现硬化峰值，高 于 760℃ ,合金迅速因过时效而软化[5]。试验结果显示：延 长 620℃ 保温时间或进行两次时效，合金强度略有提高。说明试验用盘锻件经过正常时效工艺后，强化相已经充分析出，延 长 620℃ 保温时间还可以补充析出少量强化相。资料显示，盘件经650℃ 长期时效200h,抗拉强度和屈服强度均提高约50MPa, 是因为γ"相和γ'

相继续析出补充强化。对于直接时效锻件，两次时效没有发生过时效现象，这与直接时效锻件δ相含量相对较少有关。但对于δ相含量较多的直接时效锻件，不排除过时效的可能性。资料显示 ，直接时效的锻件在600℃ 长时效500h,7"相和γ'相数量减少1.41%,δ相无变化；直接时效的锻件在 650℃ 长时 效 500 h,γ"相 和 γ相 数 量 减 少0.53%，δ相数量增加约1 % , 说明已经开始过时效;直接时效的锻件在700℃ 长时效500h,γ '相 和γ相数量减少4%,δ相数量增加约4 % , 发生了明显的过时效。

4、结论

( 1 )锻件经正常时效工艺后，强化相已充分析出，延长620℃保温时间还可补充析出少量强化相，使强度提高。锻件固溶处理加热时间过长或重复固溶处理都将降低室温拉伸性能。

( 2 )晶粒度均匀，δ相含量适中的锻后组织可获得较佳的力学性能。锻后δ相形态和数量比较合适时，采 用 970℃ 固溶可以得到较佳的力学性能。锻后δ相形态粗大、数量比较多时，需要适当提高固溶温度。锻 后 δ相数量比较少时，宜采用较低的固溶温度。

(4)720℃保温8h炉冷至620℃ 再保温8h时效 ，可以在不太长的时间内达到较高的强化效果。中间阶段的冷却速率对性能的影响很小。

参考文献：

[1]杜 金 辉 ，吕 旭 东 ，邓 群 .热 处 理 对 GH4169合金显微组织和力学 性 能 的 影 响 [ J ].稀 有 金 属 材 料 与 T 程 ，2014,43(8): 1830-1834.

[2]孔 永 华 ，李 龙 ，陈 国 胜 ，等.不 同 热 处 理 丁 艺 对GH4169合金组织 及 性 能 的 影 响 [ J ].稀 有 金 属 材 料 与 下 程 ，2010,39(11):472-475.

[3]庄 景 云 ，杜 金 辉 ，邓 群 ，等 .变 形 髙 温 合 金 GH 4169[M ].北 京 ：冶 金 工 业 出 版 社 ，2006.

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[5]王 春 光 ，王 东 哲 ，万 红 ，等 .锻 造 及 热 处 理 工 艺 对 GH4169合金组织与性能的影响[ J ].锻 压 技 术 ，2014,39(12): 14-18.

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