不同熔炼工艺生产的GH4169高温合金棒组织和性能研究

1、序言

GH4169是一种Ni-Cr-Fe基沉淀硬化型变形高温合金，在650℃以下具有较高的强度和塑性、良好的抗疲劳和耐蚀性，是目前航空航天领域应用最为广泛的高温合金[1-3]。生产过程主要包括熔炼、均匀化处理、开坯锻造、热处理和机加工等工序[4]，其中第一步的熔炼十分关键，将直接影响后续的工序，熔炼工艺的选择需要在严格保证化学成分精确的前 提下，综合考虑应用对象、显微组织、力学性能及生产成本等因素[5]。因此，本文研究并讨论不同熔炼工艺生产的GH4169合金组织和性能的特点，为实际生产中合理地制定熔炼工艺提供参考。

2、试验材料与方法

2.1 试验材料

试验采用的是江苏隆达超合金航材有限公司分别通过双联熔炼工艺：真空感应熔炼（VIM）+真空自耗重熔（VAR），三联熔炼工艺：真空感应熔炼（VIM）+气氛保护电渣重熔（ESR）+真空自耗重熔（VAR）生产的GH4169合金φ430mm铸锭，经均匀化处理后，使用4500t快锻机开坯锻造成φ220mm毛坯棒材，再车加工成φ200mm成品棒材，其化学 成分见表1。

2.2 试验方法

在成品棒材头部截取厚度为20mm的圆片，采用线切割沿圆片半径的边缘R/2、中心处取样作为金相试样，拉伸棒坯在R/2处取样，如图1所示。

试样采用GH4169合金标准的热处理工艺：固溶处理为加热至960℃，保温1h，空冷；时效处理为加热至720℃，保温8h，然后以50℃/h炉冷至620℃，保温8h，空冷。

金相试样的检测位置对应圆片的径轴向，经热镶、研磨、抛光后，使用20m L盐酸+20m L乙醇+1.5g硫酸铜进行化学腐蚀，采用ZEISS AxioImager A2m金相显微镜观察显微组织，使用ZEISSProImaging后处理软件统计晶粒度。拉伸棒坯经机加工成标准试样，按GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》、GB/T228.2—2015《金属材料 拉伸试验 第2部分：高温试验方法》分别进行室温拉伸试验和高温拉伸试验。

3、试验结果

3.1 显微组织

双联熔炼和三联熔炼工艺生产的棒材边缘、R/2、中心的显微组织如图2、图3所示。

从图2可看出，双联熔炼工艺生产的棒材边缘呈现细小再结晶围绕着变形拉长晶的不均匀组织，3.5级的晶粒占70%，9.5级的晶粒占30%。R/2处和中心处主要是均匀的等轴晶，R/2处晶粒度为9级，氮化物轻微偏聚。中心处晶粒度为7.5级，一些晶粒内部伴有孪晶。

从图3可看出，三联熔炼工艺生产的棒材各部位主要是均匀的动态再结晶组织，边缘处晶粒度为10级，R/2处和中心处的晶粒度均为9.5级。双联和三联熔炼工艺生产的棒材，沿晶界都有少量的δ相析出。

3.2 力学性能

双联和三联熔炼工艺生产的棒材的室温和高温拉伸性能见表2。从表2可看出，三联熔炼工艺生产的棒材的屈服强度和抗拉强度均高于双联熔炼工艺。

4、讨论

双联和三联熔炼工艺都采用了真空感应熔炼和真空自耗重熔，真空感应熔炼能够得到组织致密、优质高纯的电极棒，真空自耗重熔可以减轻钢锭中Nb偏析[6]。三联熔炼工艺中的保护气氛电渣重熔使用氩气将高温电极及液态渣池与空气隔离，有效降低了电渣锭中的氮含量，因此显微组织中氮化物少，合金的纯洁度高。研究表明，经固溶和时效热处理后，基体中析出的细小γ＂强化相提高了合金强度，沿晶界析出的δ相能够起到钉扎作用，阻碍晶粒的长大，促进动态再结晶的生成，因此双联和三联熔炼工艺生产的棒材，室温和高温拉伸性能均满足技术要求。

5、结束语

1）相比于双联熔炼工艺，三联熔炼工艺生产的GH4169合金显微组织中氮化物少，纯洁度高，组织均匀。

2）经固溶和时效热处理后，三联熔炼工艺生产的棒材，屈服强度和抗拉强度优于双联熔炼工艺。

参考文献：

[1] 王岩，邵文柱，甄良.GH4169合金δ相的溶解行为及对变形机制的影响[J].中国有色金属学报，2011，21（2）：341-349.

[2] 杜金辉，吕旭东，邓群，等.固溶处理对IN718合金组织和力学性能的影响[J].稀有金属材料与工程，2017，46（9）：2359-2365.

[3] 王建国，刘东，杨艳慧.GH4169合金非均匀组织在加热过程中的演化机理[J].金属学报，2016，52（6）：707-716.

[4] 田世藩，张国庆，李周，等.先进航空发动机涡轮盘合金及涡轮盘制造[J].航空材料学报，2003（S1）：233-238.

[5] 张勇，李佩桓，贾崇林，等.变形高温合金纯净熔炼设备及工艺研究进展[J].材料导报，2018，32（9）：1496-1506.

[6] 赵长虹，张玉春，杨玉军，等.真空自耗锭生产工艺对GH4169合金组织和力学性能的影响：“动力与能源用高温结构材料——第十一届中国高温合金年会”论文集[C].北京：冶金工业出版社，2007：131-134.