Nb含量对GH4169合金组织和拉伸性能的影响

胡仁民,信 欣

(1.宝武特种冶金有限公司,上海 200940; 2.中国科学院金属研究所,辽宁 沈阳 110016)

高温合金因其良好的高温强度和抗氧化抗腐蚀,优异的抗疲劳和抗蠕变性能、断裂性能和组织稳定性而广泛应用于航空发动机和工业燃气轮机的涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘和燃烧室等零部件[1-3],其中变形高温合金GH4169经过半个多世纪的不断改进和发展,目前已成为产量最大、使用面最广的一种镍基合金[4-6]。

GH4169合金是一种铁—镍—铬基变形高温合金,合金组织由γ基体,δ相,碳化物和强化相γ″、γ′等组成,在-253～650 ℃得到广泛的应用[7]。Ni是形成γ奥氏体基体元素;Cr在GH4169合金中的含量较高,达到17.0%～21.0%(质量分数,下同),可增加合金的抗腐蚀和抗氧化能力;Mo、Co为固溶强化元素;Nb、A1、Ti为时效强化元素,加入Nb可形成Ni3Nb型体心四方结构的γ″相以及加入Al和Ti形成Ni3(Al,Ti)型面心立方结构的γ′相,由于Al和Ti含量较低,两者之和仅为1.05%～1.85%,所以γ′相的数量较少,同时Nb含量较高,达到4.75%～5.50%,故γ″相是决定GH4169合金强度的关键因素。因此,研究Nb 元素含量对合金组织和拉伸性能的影响对提高GH4169 合金工艺性具有重要指导意义。

1 试验方法及结果

1.1 试验方法

采用真空感应炉冶炼不同Nb含量的GH4169合金4炉,铸锭重25 kg,4炉合金的成分分析如表1所示,主要是Nb含量不同,其他元素含量基本相同。铸锭经过均匀化处理后,锻造成40 mm×40 mm的方截面坯料,并进一步1火次热轧制成φ17 mm的轧棒。为了消除其他因素对Nb作用的干扰,需保持4炉合金的各种加工工艺相同。

表1 试验合金的化学成分

在轧棒上切取金相和力学性能试样,进行标准的固溶+时效热处理,热处理制度为:965 ℃×1 h,AC+720 ℃×8 h,FC(50K/h)+620 ℃×8 h,AC。热处理后的拉伸试棒加工成标准的M10×57 mm拉伸试样,采用金相显微镜(OM)和扫描电镜(SEM)对固溶+时效样品进行了组织观察,测试了室温和650 ℃拉伸性能。

1.2 试验结果

1.2.1 组织变化

合金试样的轧态组织如图1所示。由图1可知,轧态合金晶粒为均匀的等轴晶,再结晶状况良好,晶粒度为ASTM 11级。合金经过965 ℃固溶处理后,由于Nb含量的降低减少了起晶界“钉扎”作用的δ相,另一方面,固溶处理时心部的冷却速率最慢,从而导致4.99% Nb合金在轧棒心部可观察到少量的晶粒长大区域,晶粒约长大为ASTM6级,大部分区域晶粒未见长大,如图2(a)所示。其他Nb含量合金的轧棒未见晶粒长大,如图2(b)～(d)所示。合金经过固溶+时效处理后,晶粒度变化情况与固溶处理后的情况无明显变化,值得注意的是,随着Nb含量的增加,合金晶界析出相δ明显增多,见图3。

对低Nb(4.99%)和高Nb(5.50%)的合金轧态和热处理态的试样进行了扫描电镜观察,如图4、5所示。两个合金在轧态时,由于轧制温度高且轧制后规格小,冷却快,故晶界析出相极少,而且尺寸极小,晶内也未见析出相,如图4所示。经过标准固溶+时效处理后,由于δ相含Nb,所以低Nb合金的晶界δ相析出数量和尺寸明显少于高Nb合金,如图5所示,晶内析出相低Nb合金尺寸也略小于高Nb合金,如图5(a)、(b)所示。上述结果表明,Nb元素的增加促进了δ相、γ″相的析出和长大。

1.2.2 性能变化

不同Nb含量合金标准固溶+时效态室温拉伸和650 ℃拉伸性能如表2和表3所示。拉伸结果表明,由于Nb含量的增加促进了强化相γ″相的析出,故室温拉伸和650 ℃的拉伸强度随Nb含量的增加逐渐增加,拉伸塑性则变化不明显。

表2 室温拉伸试验结果

表3 650 ℃拉伸试验结果

1.2.3 拉伸断口观察

对低Nb的1#合金和高Nb的4#合金的室温拉伸和650 ℃拉伸断口进行了观察,结果如图6、7所示。由图可见,低Nb合金和高Nb合金的拉伸断口都为典型的杯锥形断口,断口由心部的裂纹萌生扩展区和边缘的瞬断区两部分组成,两者无显著差别。对裂纹萌生扩展区高倍观察可见,室温拉伸和650 ℃拉伸断口都呈韧窝型断裂,塑性变形特征明显,在部分韧窝处可见碳化物,这种组织为典型的孔洞聚集型断裂,即裂纹萌生扩展于晶内,试样断裂主要与晶内强度有关。

由组织观察结果可知,Nb促进了晶内γ″相的析出和长大,而晶内γ″相的状态对晶内强度至关重要,因此Nb可改善合金的拉伸性能,这显然与拉伸性能的测试结果是一致的。

1.2.4 相图计算结果

为了验证试验结果,利用Thermal-Cal 软件对GH4169合金的析出相进行了计算,其中Nb元素在4.99%～5.50%变化,其他元素如表1中的成分,计算结果如图8 所示。由图可见,随着Nb 元素含量从4.99%增加至5.50%,强化相γ″质量分数随温度的降低、Nb元素含量的升高而升高,其中在650 ℃由14.3%提高至15.6%。本研究中,Nb 元素含量高达5.50%,高Nb显著促进强化相γ″的析出,与试验结果吻合。

2 结论

(1) 随Nb元素含量的增加,GH4169合金晶界δ相和晶内γ″相的析出量增加。

(2) 随Nb元素含量的增加,GH4169合金室温拉伸强度增加,室温拉伸塑性略有降低。

(3) 随Nb元素含量的增加,GH4169合金650℃拉伸强度增加,但650 ℃拉伸塑性几乎无变化。

(4) 对于强度要求相对高的情形,建议Nb含量控制在5.25%～5.50%。