Nb对GH4169合金管材组织性能的影响

GH4169合金是一种由Fe-Cr-Ni为主要元素组成的变形高温合金，在GB/T14492—2005中的钢种牌号为GH4169，在ASTMB637—2018中的钢种牌号为Inconel718。其材料的基体组织由奥氏体、δ相、碳化物和作为强化相的γ″和γ′组成。GH4169合金经过了多年的各类相的形成机理研究、产品的稳定化制造，其应用范围从航空发动机的结构件、石油化工业中的井下工具，到核电反应堆结构部件中压力结构元件，材料的应用范围越来越广，其产品的应用需求量也越来越大。师昌绪、KurtP.Rohrbach［1-3］等对高温合金的组织、性能进行了大量的研究，并从应用领域进行了详细的介绍，其研究内容从高温合金的发展史到高温合金的技术开发，各类高温合金的成分组成、特性、冶炼方式、锻造工艺、应用场景和组织性能等，特别论述了Inco⁃nel718合金的研究概况，不断的开发新工艺和新技术，使Inconel718合金的应用量达到了变形高温合金的40%以上；徐强［4］等对先进高温合金材料的开发进行了对比研究，包括高温合金、陶瓷、难熔金属、复合材料等都进行了论述，论证变形高温合金的应用场景和不可替代性；丁天胜［5］等研究了两种 不同热处理工艺对GH4169合金组织性能的影响，分析了GH4169合金在不同热处理工艺下组织变化情况，并在不同的应变条件下δ相对合金低周疲劳性能的影响，发现随着900℃保温时间的延长，GH4169合金δ相的析出量增加，而合金在高应变幅下的疲劳寿命基本不受δ相含量变化的影响；孔永华、魏先平［6-7］等主要探究了不同热处理工艺对GH4169合金管材影响，研究了在不同热处理工艺下合金的晶粒度、析出相的差异性及其对组织性能的影响，进而指导GH4169合金材料的性能控制；白亚冠［8］等探究了GH4169合金中δ相的析出、溶解规律，阐述了这类相的形成和析出规律；韦家虎［9］等在上述研究的基础上分析了强化相对GH4169的热变形行为影响，其考虑到GH4169合金中各类强化相的差异；张海燕［10］等对GH4169合金中强化相与晶粒度关系进行进一步的研究。在不断了解、深化对GH4169合金材料认识的同时，不断开发出新工艺、新技术，使该材料的应用领域不断扩大。

调研的大量的科研工作者的论文文献、技术资料等，主要集中在GH4169合金的应用选择、热加工制造、热处理、晶粒组织和强化相研究，并没有对GH4169合金中Nb含量对材料组织性能的影响进行深入的探究，随着GH4169合金的应用范围越来越广泛，采用相同的制造工艺加工的管材并不符合所有的应用场景。本文主要探究Nb元素对GH4169合金管材组织性能影响，进而指导GH4169合金管材在不同应用场景下的Nb元素选择，更好的为管材产品提供服务。

1、试验材料及方法

GH4169合金材料具有较高的合金含量，鉴于其材料在不同领域的应用差异性，如油气领域和航空领域中对Nb含量要求差异比较大，但是其组织性能、应用差异并没有一个详细的论述。本文依据GB/T14492—2005和ASTMB637—2018的标准要求，在其他组元成分，以及冶炼、锻造、热挤压、制管、热处理工艺基本保持一致的情况下，研究低Nb［w（Nb）4.90%］和高Nb［w（Nb）5.30%）对成品管材的组织和性能的影响。

GH4169合金采用真空感应（VIM）+电渣保护重熔（ESR）+真空自耗（VAR）的三联工艺进行冶炼，得到2种不同成分的GH4169合金钢锭，对钢锭进行高温均匀化退火，均匀化退火工艺为1200℃、保温48h。经过均匀化退火的钢锭进行多道次、小变形量的热锻工序，锻造成ϕ204mm的圆管坯。

考虑到GH4169合金是一种以Cr-Fe-Ni为基体的时效硬化型镍基高温合金，GH4169合金组织和性能对热加工温度敏感，为了能够保证管坯的热成型，采用先进的热挤压工艺进行热加工，可以有效保证在三向压应力下管材组织均匀，挤压制造的管材规格为ϕ100mm×15mm，挤压过程是一个动态的过程，对挤压管采用大变形冷加工，整体的变形量保证在50%以上，保证大变形量冷轧加工后的ϕ76mm×10mm成品管两端组织均匀，冷加工完成后的管材进行固溶热处理+时效热处理，固溶时效热处理制度为1020℃×0.5h，WC（水冷）+735℃×5h，AC（空冷）。

为了研究采用相同工艺制造下两种Nb含量的管材，对比分析其组织和性能的差异。管材的组织分析方面，采用ASTME112标准要求对试样进行晶粒度检验，其取样位置为横向，为了保证试样组织显示清晰，试样经过不同目数的砂纸抛光后，试样采用高锰酸钾+10%的稀硫酸溶液按照1∶50的比例进行配比、煮沸10min后，对试样进行草酸电解、无水酒精擦拭，即可得到晶界清晰的晶粒度图片，并在蔡司显微镜下放大100×观察。合金中的析出相试样检测位置与晶粒度有差异，其取样位置为纵向，试样进行抛光后，采用10%的盐酸酒精溶液进行腐蚀，通过该方法腐蚀的试样可保证各类析出相仍然存在于材料基体中，不会出现析出相脱落的现象，制备完成的试样采用蔡司扫描电镜SEM进行分析，试样放大倍数为2000×。管材的性能分析方面，两种Nb含量的管材经过固溶+时效热处理后，纵向取样进行拉伸性能检测，室温拉伸检测标准为ASTME8—22；200℃高温拉伸检测标准为ASTME21—20，考虑到GH4169合金管材的尺寸规格为ϕ76mm×10mm，室温拉伸和高温拉伸试样都加工成ϕ6mm×M10的圆棒试样。采用万能试验机进行室温拉伸试验，采用的高温拉伸试验机由拉伸试验用主机、用于温度检测的测量系统、测量屈服强度的引伸计三大部分组成。高温炉内有3根的测温热电偶，热电偶用于接触试样，以反馈试样温度，通过控制器控制加热，使得最终试验温度保持在设置温度±10℃。

按照上述的工艺方法，最终得到2种不同Nb含量的GH4169合金管材，具体成分见表1。

2、试验结果与讨论

2.1　性质图差异

采用Thermo-Calc热力学计算软件，计算GH4169合金管材在不同成分下的各相差异。

Thermo-Calc热力学计算软件主要的计算成分为：C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni、Mo、Cu、Fe、N、W、V、Nb、Ti、Co、Al等。在标准范围内，应用高温合金的数据库，对各类成分进行微量的调整，如：C的变化对碳化物的影响；Cr、Mo的变化对σ相的影响；Nb对γ″相（Ni3Nb）、γ′相（Ni3（Al，Ti））及δ相（Ni3Nb）的影响等。根据各类元素的变化规律，可以计算出在平衡状态下材料中的析出情况。

GH4169合金是一种时效硬化镍基高温合金，合金中的主要析出相是γ″相（Ni3Nb）、γ′相（Ni3（Al，Ti））及δ相（Ni3Nb）。通过热力学计算软件Thermo-Calc对2种Nb含量的GH4169合金进行性质图分析［11］，如图1所示，计算在平衡状态不同Nb含量凝固过程中的各类相开始析出温度，考虑到合金元素在凝固过程中是一个非稳态的动态平衡，特别是Nb元素容易和Al、Ti等易偏析元素的结合，形成复杂的析出相，析出相的初始析出温度难以准确计算，利用热力学计算软件只是初步了解各类相的析出情况，仅为2种Nb含量下组织性能的差异性提供数据支撑。2种不同Nb含量的GH4169合金析出相温度见表2。

依据图1和表2的分析结果，得到两种Nb含量合金在平衡状态下各类析出相初始析出温度。虽然Nb含量不同，但是其平衡状态下的性质图析出规律一致，只是部分相的初始析出温度有一定的差异。GH4169合金开始从液相向固相凝固时，优先形成奥氏体基体，随着凝固过程的进行，奥氏体中最先析出的是Ni3Nb相，随着温度的降低，会依次析出σ相、Ni3（Al，Ti）到最后的M23C6相。Ni3Nb相的析出温度随着Nb增加而增加，而Ni3（Al，Ti）的析出温度随着Nb含量的增加而减少。造成这种现象的原因，主要是在GH4169合金凝固过程中，Nb元素优先与Ni元素进行结合，形成γ″（Ni3Nb）强化相，Ni原子的迁移容易造成Al、Ti原子附近出现了空位，Ni原子与Al、Ti间的结合力减小，降低了γ′（Ni3（Al，Ti））强化相的析出温度和含量。

2.2　相同热处理工艺下组织性能研究

对2种不同Nb含量GH4169合金成品管材进行取样分析，包括晶粒度、拉伸性能、200℃高温拉伸性能、析出相的含量等。

2.2.1　晶粒度

不同Nb含量的GH4169合金管在相同的固溶时效热处理工艺下，晶粒度有着明显的差异，如图2所示。

图2（a）显示的晶粒度为7.0级，图2（b）显示的晶粒度为9.0级，管材的晶粒度相差2.0级。按照扩散理论，基体中的Nb浓度偏高易向贫Nb区域或与Nb元素具有很强亲和力的元素附近聚集，容易造成含Nb的δ相（Ni3Nb）富集，在奥氏体晶界或晶内析出大量的δ相。Nb元素是合金中的易偏析元素，在和Ni结合形成Ni3Nb强化相时，其形核的驱动力增大，造成附近的奥氏体晶粒长大的驱动力增大，表现为δ相（Ni3Nb）在晶界上起到了“钉扎”作用，阻碍晶粒的长大，造成了采用相同的工艺制度下，得到的晶粒度不同，Nb含量越高，晶粒越细小。蔡大勇等已经对Nb含量与加工工艺、组织性能差异方面进行了研究［12］。

2.2.2　析出相含量

对两种不同Nb含量的GH4169合金管材进行扫描电镜（SEM）分析，如图3所示。图3中两种Nb含量的管材在SEM下都发现了析出。图3（a）为4.90%Nb的管材，晶界上存在大量白色片状析出相，析出相呈现为不连续分布，晶内未发现别的析出相；图3（b）为5.30%Nb的管材，与图3（a）不同的是白色片状的析出相分布在奥氏体晶界和晶内，奥氏体晶界上的析出相呈不连续分布，晶内析出相呈现为弥散分布的短棒状。

为了进一步确认GH4169合金管材的析出相类别，通过SEM确定析出相的形貌，再采用电子探针标定析出相的元素含量、种类等，通过能谱分析GH4169合金析出相，其能谱检测结果如图4所示。该析出相的Nb质量分数达到了10%。大量的文献已证明GH4169合金中的γ′相化学式为Ni3（Al、Ti），其形貌常为方形或球形，γ′相不仅会在晶内弥散析出，也会呈链状、方形在晶界上析出，而能谱分析结果显示其Nb含量产生偏聚，故判断此相不是γ′相。γ″也是GH4169合金中主要的强化相，其化学式为Ni3Nb，形状为片状，因其为亚稳相，在650℃以上长时服役会转变为稳态的δ相，其化学式也为Ni3Nb，本实验采用的时效工艺为时效温度730℃，时效时间5h，同时，热力学计算确定的Ni3Nb在该温度区间内，长时间作用下，元素的迁移引起该相析出。故推测此相为γ″和δ相的复合相。

上述两种不同Nb含量管材的晶粒度和析出相的分析结果表明，GH4169合金管中，在其他成分基本保持不变的情况下，Nb含量的增加促进了GH4169合金管中的Ni3Nb析出，在晶界上的析出相起到了“钉扎”作用，阻碍了晶粒的长大，验证了在相同制造工艺下，Nb含量偏高，会促成细晶的形成。

2.2.3　拉伸性能

2种Nb含量的管材室温拉伸和高温拉伸性能结果见表3。2种Nb含量下GH419合金管的室温拉伸和200℃高温拉伸的抗拉强度和屈服强度差异较大，室温下，5.30%Nb管比4.90%Nb管的抗拉强度高86MPa，屈服强度高80MPa；200℃下，5.30%Nb管比4.90%Nb管的抗拉强度高96MPa，屈服强度高96MPa。Nb含量的增加促进了强化相Ni3Nb的析出，随着Nb含量的增加，强化相Ni3Nb数量增加，提高了材料的抗拉强度和屈服强度。Nb含量相同时，室温和200℃的伸长率基本保持一致的，说明200℃的高温并不能引起GH4169合金中的强化相变化，强化相与室温保持一致，故其伸长率基本无变化。

Nb原子半径为0.294nm，比常用合金元素中任何一个都大，所以，它具有最大的强化作用，Nb元素易与C、N、Ni、Ti、Al等元素形成不同的溶度积，特别是在Nb含量较高时，元素间的相互作用系数为正，提高了Nb的活度，降低了Nb的溶解度，再结合Nb元素较高时在晶界形成强化相的“钉扎”作用，造成的晶粒尺寸偏小，提高材料的抗拉强度和屈服强度。在高温下，随着温度的上升，Nb元素在材料中的溶解度提高，造成其强度下降。

2.3　不同晶粒度下管材组织性能

针对上述不同Nb含量，采用相同的冷变形工艺和热处理制度，得到最终产品的晶粒尺寸差异大，材料的拉伸性能也随之变化，为此，在保持冷变形量不变的情况下，调整热处理工艺制度，并且只调整固溶热处理工艺制度，不改变时效热处理工艺制度［13-14］。

为了研究在相同晶粒度下两种Nb含量管材的拉伸性能，特别是Nb元素在GH4169合金组织的晶界处形成析出相造成的“钉扎”作用，选用合适的热处理制度，制备不同Nb含量的管材具有相同的晶粒度，最终得到4.90%Nb管和5.30%Nb管的晶粒度保持一致，具体工艺如下。

4.90%Nb的管材：固溶温度为1020℃，保温时间为10min，管材晶粒度为7.0级；固溶温度为1060℃，保温时间为10min，管材晶粒度为6.0级；固溶温度为1100℃，保温时间为10min，管材晶粒度为5.0级；固溶温度为1120℃，保温时间为10min，管材的晶粒度为4.0级。

5.30%Nb的管材：固溶温度为1040℃，保温时间为10min，管材晶粒度为7.0级；固溶温度为1080℃，保温时间为10min，管材晶粒度为6.0级；固溶温度为1120℃，保温时间为10min，管材晶粒度为5.0级；固溶温度为1140℃，保温时间为10min，管材晶粒度为4.0级。

考虑到GH4169合金管材的时效温度在730℃，低于其奥氏体再结晶温度下，不会对GH4169合金管材的奥氏体晶粒有所影响，晶粒度不会长大。对具有相同晶粒度、不同Nb含量的管材进行时效热处理，其采用的时效热处理工艺相同，即为时效温度为730℃、时间5h，研究在相同晶粒度、不同Nb含量的室温拉伸性能，结果见表4。由表4可见，随着平均晶粒尺寸的增大，管材抗拉强度和屈服强度随之降低，伸长率变化不大。

3、结论

（1）两种不同Nb含量GH4169合金管材，采用相同的制造工艺，低Nb［w（Nb）4.90%］成品管晶粒度为7.0级，高Nb［w（Nb）5.30%］成品管晶粒度为9.0级，晶粒度相差2.0级。低Nb含量的管材只在晶界上析出Ni3Nb相，高Nb的管材在晶界或晶内都析出Ni3Nb相，Ni3Nb相对奥氏体晶粒的长大起到了“钉扎”作用，造成Nb元素含量越高，相同制造工艺得到的管材平均晶粒尺寸越细小。

（2）GH4169合金的高Nb［w（Nb）5.30%］管材在室温和200℃高温下的抗拉强度、屈服强度都比低Nb［w（Nb）4.90%］管材高，伸长率基本保持不变。

（3）GH4169合金管材在两种不同Nb含量下，采用相同的时效热处理工艺。不论是低Nb［w（Nb）4.90%］还是高Nb［w（Nb）5.30%］管材，随着平均晶粒尺寸的增大，管材的抗拉强度、屈服强度下降，伸长率变化不大。在相同的晶粒度下，高Nb［w（Nb）5.30%］管材比Nb［w（Nb）4.90%］管材的抗拉强度、屈服强度高，伸长率基本一致。

（4）Nb含量的不同不仅对GH4169合金管材的金相组织有影响，对室温拉伸和200℃高温拉伸的性能也具有较大的影响，因此，在制备不同Nb含量的管材时，选择合适的固溶时效热处理工艺是非常有必要的。

参考文献

［1］师昌绪，仲增墉.中国高温合金40年［J］.金属学报，1997，33（1）：1-8.

［2］KurtP.Rohrbach.高温合金的发展与选择［J］.宇航材料与工艺，2005，35（l）：61-62.

［3］杜金辉，邓群，董建新.我国GH4169合金的发展与应用［A］.见原：师昌绪，仲增墉主编.中国高温合金五十年［C］.第1版.北京：北京工业出版社，2006：1.

［4］徐　强，张幸红，韩杰才，等.先进高温材料的研究现状和展望［J］.固体火箭技术，2002，25（3）：51-55.

［5］丁天胜，张显程，涂善东，等.热处理对GH4169合金组织及650℃下低周疲劳性能的影响［J］.材料热处理学报，2016，37（4）：69-75.

［6］孔永华，李　龙，陈国胜，等.不同热处理工艺对GH4169合金组织及性能的影响［J］.稀有金属材料与工程，2010，39（S1）：472-475.

［7］魏先平，郑文杰，宋志刚，等.热处理对Inconel718合金组织及力学性能的影响［J］.材料热处理学报，2012，33（8）：53-58.

［8］白亚冠，李红梅，韩秀栋，等.GH4169合金δ相析出与溶解行为研究［J］.特殊钢，2021，42（5）：21-25.

［9］韦家虎，董建新，喻　健，等.δ相对GH4169合金热变形行为的影响［J］.航空材料学报，2012，32（6）：72-77.

［10］张海燕，张士宏，程　明，等.δ相对GH4169合金热变形后热处理中晶粒长大的影响［J］.材料热处理学报，2017，38（3）：70-75.

［11］刘　芳，孙文儒，杨树林，等.Al含量对GH4169镍基合金组织及其稳定性的影响［J］.金属学报，2008，44（7）：791-798.

［12］蔡大勇.GH169及GH696高温合金热加工工艺基础研究［D］.秦皇岛：燕山大学，2003.

［13］孔永华，刘瑞毅，陈国胜，等.不同固溶处理对GH4169合金常温拉伸性能的影响［J］.稀有金属材料与工程，2012，41（S2）：616-620.

［14］朱丽娜.GH4169G合金显微组织和力学性能研究［D］.沈阳：沈阳理工大学，2011.

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