GH4169合金（Ｉｎｃｏｎｅｌ 718 合金）是 20 世紀(jì) 60 年代發(fā)展的一種鎳鐵基高溫合金 ［1］ 。 該合金屬于 Ｎｉ?Ｃｒ?Ｆｅ 基沉淀硬化型變形高溫合金，長(zhǎng)期使用溫度為253 ～650 ℃，短時(shí)使用溫度可達(dá) 800 ℃。 GH4169合金在650 ℃以下的強(qiáng)度高，具有良好的抗疲勞、抗輻射、抗氧化和耐蝕性，以及良好的加工性能、焊接性能和長(zhǎng)期組織穩(wěn)定性。 適于制作航空、航天、核能和石化工業(yè)中的渦輪盤、環(huán)件、葉片軸、緊固件和彈性元件、板材結(jié)構(gòu)件、機(jī)匣等，主要產(chǎn)品有熱軋和鍛制棒材、冷拉棒、板帶材、環(huán)形件等 ［2］ 。

GH4169合金是以體心立方 γ″和面心立方 γ′為沉淀強(qiáng)化相的鎳基變形高溫合金，其中亞穩(wěn)共格 γ″相是主要強(qiáng)化相，化學(xué)式為 Ni3Nb，γ′為輔助強(qiáng)化相，也是亞穩(wěn)共格相，化學(xué)式為 Ni3Al，正交非共格 δ（Ni3Nb）相為 γ″相的平衡態(tài)穩(wěn)定相 ［3］ 。 高溫合金的強(qiáng)化機(jī)制主要有固溶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化兩類，GH4169合金的熱處理強(qiáng)化方式也主要由固溶處理和時(shí)效處理兩部分組成 ［4］ 。 對(duì)于 GH4169合金，δ 相的含量和形貌對(duì)合金的晶粒尺寸、力學(xué)性能有很大影響 ［1］ 。 熱處理工藝不同時(shí)，GH4169合金中相的體積分?jǐn)?shù)、晶粒形貌及錯(cuò)配度等均不同，會(huì)直接影響合金的蠕變行為和力學(xué)性能 ［5］ 。 針對(duì) GH4169合金不同性能要求，需要調(diào)整不同的熱處理工藝。 本文研究了固溶處理及時(shí)效處理對(duì)GH4169合金組織和硬度的影響，為 GH4169合金熱處理工藝的制定提供參考。

1、試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)用 GH4169合金的化學(xué)成分如表 1 所示，符合 GB/T  14992—2005《高溫合金和金屬間化合物高溫材料的分類和牌號(hào)》要求。 固溶處理采用 GH4169合金熱軋帶材，時(shí)效處理采用 GH4169合金鍛坯。 其顯微組織如圖 1 所示，可見熱軋帶材的組織為纖維狀晶粒，晶粒細(xì)小且呈現(xiàn)出一定變形特征，而鍛坯晶粒組織較為粗大。

圖 １　ＧＨ４１６９ 合金的原始顯微組織（ａ）熱軋帶材；（ｂ）鍛坯

Ｆｉｇ． １　Ｏｒｉｇｉｎａｌ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ＧＨ４１６９ ａｌｌｏｙ（ａ） ａｓ?ｒｏｌｌｅｄ ｓｈｅｅｔ； （ｂ） ｆｏｒｇｅｄ ｂｉｌｌｅｔ

用線切割加工成尺寸為 15mm×20mm×2mm的試樣，在電阻爐中進(jìn)行固溶及時(shí)效處理。 固溶溫度分別為 900、950、1000、1050 和 1100 ℃，保溫時(shí)間分別為 15、30、45 和 60min，保溫結(jié)束后出爐并快速水冷至室溫。 對(duì)1050℃×0.5 ｈ 固溶處理的合金進(jìn)行5 種不同的時(shí)效處理：①800℃×8h，空冷；②720℃×8h，空冷；③720℃×16 ｈ，空冷；④720℃×8h，爐冷 ＋620℃×8h，空冷；⑤620℃×8h，空冷。

熱處理后的試樣經(jīng)樹脂冷鑲嵌后進(jìn)行機(jī)械磨拋處理，根據(jù) GB/T  13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》，通過化學(xué)法浸蝕處理后，在光學(xué)顯微鏡下觀察分析顯微組織，浸蝕劑為100 ｍＬ 鹽酸 ＋100 ｍＬ 無水乙醇 ＋5 ｇ氯化銅。 根據(jù) GB/T  4340.1—2009《金屬材料維氏硬度　第 1 部分：試驗(yàn)方法》，用數(shù)字維氏硬度計(jì)測(cè)量試樣的硬度，加載載荷 5kg，每個(gè)試樣測(cè)量 3 個(gè)點(diǎn)，取平均值。

2、試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1　不同固溶工藝對(duì)組織的影響

圖 2 為 GH4169合金熱軋帶材經(jīng)不同固溶工藝處理后的顯微組織。 可以看出，GH4169合金在低于1050 ℃固溶處理后的晶粒組織無明顯變化，在 1050 ℃固溶 30min 后開始出現(xiàn)細(xì)小的再結(jié)晶晶粒，隨固溶溫度的升高和固溶時(shí)間的增加，晶粒不斷長(zhǎng)大粗化，在1100 ℃固溶15min 后就已出現(xiàn)了細(xì)小的再結(jié)晶晶粒，固溶 60min 后的晶粒顯著長(zhǎng)大。

圖 ２　ＧＨ４１６９ 合金在不同固溶工藝下的顯微組織

Ｆｉｇ． ２　Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ＧＨ４１６９ ａｌｌｏｙ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ

（ａ） ９００ ℃， １５ ｍｉｎ； （ｂ） ９００ ℃， ３０ ｍｉｎ； （ｃ） ９００ ℃， ６０ ｍｉｎ； （ｄ） １０００ ℃， １５ ｍｉｎ； （ｅ） １０００ ℃， ３０ ｍｉｎ； （ｆ） １０００ ℃， ６０ ｍｉｎ；（ｇ） １０５０ ℃， １５ ｍｉｎ； （ｈ）１０５０ ℃， ３０ ｍｉｎ； （ｉ）１０５０ ℃， ６０ ｍｉｎ； （ｊ） １１００ ℃， １５ ｍｉｎ； （ｋ） １１００ ℃， ３０ ｍｉｎ； （ｌ） １１００ ℃， ６０ ｍｉｎ

相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，δ 相對(duì)晶粒長(zhǎng)大有顯著阻礙作用 ［6?8］ ，GH4169合金δ相在 982 ～ 1037℃之間發(fā)生溶解，并在1020 ℃以上時(shí)可以完全溶解。 GH4169合金在低于δ相溶解溫度下固溶處理時(shí)，大量δ相的存在會(huì)抑制晶粒長(zhǎng)大而使晶粒長(zhǎng)大緩慢；在高于δ相完全溶解溫度以上固溶時(shí)，合金為單相奧氏體組織，晶粒隨溫度的升高快速長(zhǎng)大 ［6?8］ 。 根據(jù)圖2 可知，GH4169合金熱軋帶材的晶粒組織發(fā)生明顯變化時(shí)存在一個(gè)臨界溫度，大致在1050 ℃附近，與文獻(xiàn)［7?8］報(bào)道的溫度基本一致，晶粒迅速長(zhǎng)大的溫度正好超過了δ相完全溶解溫度，所以δ 相對(duì)晶粒長(zhǎng)大的抑制作用就會(huì)消失，引起晶粒長(zhǎng)大。

因此，為了獲得細(xì)小的晶粒組織，防止晶粒過分粗化，固溶溫度應(yīng)低于1050 ℃，保溫時(shí)間不超過30min。

2.2　不同固溶工藝對(duì)硬度的影響

圖 3 為 GH4169合金熱軋帶材經(jīng)不同固溶工藝處理后的硬度。 可以看出，GH4169合金固溶處理后的硬度變化與固溶溫度和固溶時(shí)間有較強(qiáng)的相關(guān)性。 在900 ～1000 ℃固溶時(shí)，隨著固溶溫度的升高，硬度略有降低，而固溶時(shí)間的增加對(duì)硬度幾乎無影響。 在1050 ℃固溶45min 時(shí)硬度迅速下降，固溶60min 時(shí)硬度略有降低。 在1100 ℃固溶時(shí)硬度明顯下降，而固溶時(shí)間的增加對(duì)硬度的影響與 1050 ℃固溶時(shí)相似。

圖 ３　ＧＨ４１６９ 合金在不同固溶工藝下的硬度

Ｆｉｇ． ３　Ｈａｒｄｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ＧＨ４１６９ ａｌｌｏｙ ｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ

2.3　不同時(shí)效工藝對(duì)組織的影響

圖 4 為 GH4169合金鍛坯經(jīng) 1050℃×0.5 ｈ 固溶和不同工藝時(shí)效處理后的微觀組織，可以看出，經(jīng)不同工藝時(shí)效處理后的顯微組織無顯著變化。

圖 ４　ＧＨ４１６９ 合金在不同時(shí)效工藝下的顯微組織

Ｆｉｇ． ４　Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ＧＨ４１６９ ａｌｌｏｙ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｇｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ

2.4　不同時(shí)效工藝對(duì)硬度的影響

文獻(xiàn)［8］指出，強(qiáng)化相 γ′在 600 ～ 820℃析出，在840 ℃以上時(shí)發(fā)生溶解，而 γ″相在 595 ～870 ℃析出，在 870 ℃以上發(fā)生溶解，δ相在 780 ～ 980℃時(shí)析出。表 2 為不同時(shí)效工藝下 GH4169合金的硬度，可以看出，GH4169合金時(shí)效后的硬度較固溶后顯著升高，時(shí)效溫度和時(shí)效時(shí)間對(duì)硬度均有影響。 在800 和720 ℃時(shí)效8h后硬度較高，二者之間無明顯差別，說明合金在時(shí)效后均析出了強(qiáng)化相，但還不充分。 在 720 ℃時(shí)效16ｈ后硬度達(dá)到最大值，與720 ℃時(shí)效8h ＋620 ℃時(shí)效 8h 的硬度相近。 在 620℃時(shí)效 8h 后硬度明顯降低，說明此溫度下強(qiáng)化相析出很少。 由此說明，GH4169合金需要在720℃時(shí)效8h以上強(qiáng)化相才能夠充分析出。

3、結(jié)論

1） GH4169合金在 900 ～1000 ℃固溶時(shí)，不同固溶溫度和固溶時(shí)間下的晶粒組織均無明顯差異，硬度隨固溶溫度的增加有所降低，而固溶時(shí)間對(duì)硬度無明顯影響。 固溶溫度超過1050 ℃后，隨著固溶溫度的升高和固溶時(shí)間的增加，再結(jié)晶晶粒開始迅速長(zhǎng)大，同時(shí)伴隨著硬度迅速降低。

2） 在 1050 ℃固溶 0.5 ｈ 后，時(shí)效溫度和時(shí)效時(shí)間對(duì) GH4169合金的晶粒組織無顯著影響，但對(duì)強(qiáng)化相析出有顯著影響，表現(xiàn)為硬度的顯著差異。 合金在720 ℃時(shí)效 16 ｈ 后的硬度達(dá)到最高。

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