GH4169合金低倍暗色缺陷分析与研究

刘卫，郝恒恒，许安宁

中航试金石检测科技（西安）有限公司 陕西西安 710089

1 序言

GH4169（美国牌号Inconel 718）是沉淀强化的镍基高温合金。GH4169合金具有良好的热加工性能，在高温下具有高的强度、塑韧性、疲劳及蠕变等优异的性能，被广泛应用于航空航天、核能、动力及石油等领域，例如，航空发动机的涡轮盘、压气机盘等[1-3]。GH4169合金原材料棒材在投入生产前需进行理化检测。某批原材料金相检测时，发现低倍局部边缘发暗。为了保证检测结果正确，进行了以下分析和研究。

2 理化试验结果及分析

2.1 低倍检测

客户在GH4169合金原材料复验时，低倍试样经标准腐蚀剂（配比为500mLHCl、35mLH2SO4、150gCuSO4·5H2O，腐蚀时间16min）浸泡腐蚀后，检查发现低倍局部边缘出现暗色区域，沿低倍外圆分布，测量最深处达到2cm，低倍照片如图1所示。结合标准分析，初步判别为暗腐蚀区，需进一步进行高倍组织确认。

图1 GH4169合金低倍照片

2.2 试验分析

（1）显微组织分析 从GH4169合金正常区域和暗色区域分别取显微组织试样，如图2所示。经磨制、腐蚀后，在OLYMPUS GX53金相显微镜上观察，GH4169合金显微组织如图3所示。从图3可看出，GH4169合金显微组织由奥氏体基体、Ni3Nb相和少量的碳化物组成。正常区域Ni3Nb相符合GE标准1级，Ni3Nb相形态为颗粒状分布于晶内和晶界上；暗色区域Ni3Nb相大量聚集超过GE标准6级，因此确认低倍局部出现暗腐蚀区。

图2 GH4169合金高倍试样取样位置

图3 GH4169合金显微组织

（2）晶粒分析 对两个区域晶粒度，利用OLYMPUS GX53金相显微镜金相软件（OLYMPUS m3-2020），根据GB/T 6394—2017《金属平均晶粒度测定方法》采用截点法测量，正常区域晶粒度为7.5级，暗腐蚀区域晶粒度为7.1级。从晶粒大小来说，两个区域基本一致，但正常区域为等轴晶粒，晶粒大小均匀，暗腐蚀区为孪晶晶粒，晶粒大小不均匀。两种晶粒形态的形成主要与浇铸、锻造过程中变形程度有关，正常区域变形量大，变形均匀，而暗腐蚀区处于棒材边缘，变形量小、不充分，形成孪晶晶粒。

（3）力学性能分析 GH4169合金正常区域和暗腐蚀区力学性能检测结果见表1。拉伸试样经线切割设备取自GH4169合金原始低倍，拉伸试验在英斯特朗电子万能试验机上进行。通过表1试验结果对比分析可知，两个区域拉伸数据均满足标准要求，两个区域拉伸试验结果差异不大，但正常区域强度和塑韧性均好于暗腐蚀区域。

表1 GH4169合金力学性能检测结果

（4）能谱分析 对GH4169合金正常区域和暗腐蚀区显微组织试样进行能谱分析，结果见表2。从表2可看出，两个区域主要合金元素指标均满足标准要求，差异体现在Nb元素上，暗腐蚀区域Nb含量超过标准要求，这是暗腐蚀区形成的主要原因，与显微组织观察结果一致。

表2 GH4169合金能谱分析结果

3 讨论

GH4169合金Ni3Nb相的形态、数量、尺寸决定于合金的化学成分及热加工工艺，最终决定了GH4169合金的综合性能。

GH4169合金低倍试样暗色区域，经过显微组织分析可确定为暗腐蚀区；通过能谱分析可确定为Nb元素聚集导致的暗腐蚀区的形成。Nb元素在GH4169合金中主要以Ni3Nb相的形式存在，而GH4169合金中Ni3Nb相主要有颗粒状、针状、短棒三种形态。当GH4169合金中Nb元素过多和聚集时，Ni3Nb相聚集在一起呈片状分布，低倍组织上呈暗色表现（见图3c、图3d），GH4169合金正常区域Ni3Nb相呈颗粒状分布（见图3a、图3b）。

GH4169合金正常区域和暗腐蚀区晶粒大小基本一致，而颗粒状Ni3Nb相在晶界上起到钉扎作用，强化晶界，使得GH4169合金正常区域抗拉性能优于暗腐蚀区域。在生产过程中，正常区域变形较大，晶粒为等轴晶粒，而暗色区域靠近合金边缘，变形小，形成孪晶晶粒。等轴晶粒比孪晶晶粒大小均匀，并具有更好的晶粒结合性，因此GH4169合金正常区域的拉伸性能优于暗腐蚀区域。

此批GH4169合金原材料主要用于锻造涡轮盘，而Ni3Nb相与锻件终锻温度有关，合理的锻造工艺有利于暗腐蚀区域的消失，保证锻件的金相组织和力学性能符合标准要求。

4 结束语

1）GH4169合金低倍暗色缺陷为Nb元素聚集导致的暗腐蚀区。

2）晶粒形状和Ni3Nb相分布导致暗腐蚀区拉伸性能较正常区域有所下降。