王 丹, 趙興東, 魏 鑫, 于連旭, 張維維, 孫文儒

(1. 中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司, 遼寧 沈陽(yáng) 110043;2. 中國(guó)科學(xué)院金屬研究所, 遼寧 沈陽(yáng) 110016)

GH4738(美國(guó)牌號(hào)Waspaloy)是一種典型的γ′相沉淀強(qiáng)化型鎳基高溫合金,具有良好的綜合力學(xué)性能以及抗氧化和熱腐蝕性能,廣泛用于制作航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)、機(jī)匣和葉片等關(guān)鍵零件[1-3],其組織性能對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能水平和安全可靠性具有十分重要的影響.

為了獲得良好的高溫力學(xué)性能,國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量的研究工作[4-10].GH4738合金一般通過(guò)時(shí)效處理獲得大、小兩種尺寸的γ′相,以加強(qiáng)對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙能力,因此合金的性能對(duì)熱處理十分敏感.對(duì)于一般情況下的應(yīng)用,GH4738合金可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)制度的熱處理來(lái)獲得預(yù)期的組織和性能.但是,在有些情況下,GH4738合金的環(huán)形件等需要通過(guò)釬焊工藝與其他工件連接,而且有時(shí)需要多次釬焊才能完成連接.釬焊的高溫過(guò)程無(wú)疑將影響GH4738合金的組織及性能.但是,目前有關(guān)釬焊等加熱處理對(duì)于GH4738合金組織性能的研究還很少,這種情況對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的安全可靠應(yīng)用十分不利.因此,本文研究了一種釬焊工藝的加熱制度對(duì)GH4738合金組織和性能的影響,以期為GH4738合金的應(yīng)用提供必要的研究基礎(chǔ).

1 試驗(yàn)材料及方法

本文的試驗(yàn)材料取自GH4738合金環(huán)形鍛件,其化學(xué)成分見(jiàn)表1.對(duì)環(huán)形鍛件進(jìn)行熱處理1:在1 030 ℃保溫4 h后油冷至845 ℃,在845 ℃保溫4 h后空冷至760 ℃,在760 ℃保溫6 h后空冷.從熱處理后的環(huán)形鍛件上切取金相試樣、拉伸試樣坯料和持久試樣坯料,其中部分試樣用于分析熱處理態(tài)環(huán)形鍛件的組織,并測(cè)試室溫拉伸、540 ℃拉伸性能和在730 ℃,初始應(yīng)力550 MPa下的持久性能.其余試樣進(jìn)行熱處理2(仿釬焊真空處理):在1 040 ℃保溫10 min,充入1.6～1.8 Pa氬氣快冷至室溫.然后將試樣在大氣下進(jìn)行時(shí)效處理,在845 ℃保溫4 h后空冷至760 ℃,并在760 ℃保溫6 h后空冷.分析組織,并測(cè)試其在室溫、540 ℃拉伸性能,以及在730 ℃、載荷550 MPa下的持久性能.

采用金相顯微鏡分析晶粒組織;采用掃描電鏡觀察拉伸和持久試樣斷口,并進(jìn)一步觀察γ′相的形態(tài)、尺寸及分布.

表1 試驗(yàn)用GH4738合金的主要化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Chemical composition of GH4738 alloy tested %

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

如表2所示,經(jīng)過(guò)仿釬焊處理后,GH4738合金的室溫拉伸強(qiáng)度明顯降低,抗拉強(qiáng)度下降58 MPa,屈服強(qiáng)度下降136 MPa;拉伸塑性變化不大.同時(shí)室溫硬度也有所降低.

表2 熱處理2對(duì)GH4738合金室溫拉伸性能和室溫硬度的影響

如表3所示,經(jīng)過(guò)仿釬焊處理后,GH4738合金的540 ℃拉伸強(qiáng)度同樣也明顯降低,抗拉強(qiáng)度下降60 MPa,屈服強(qiáng)度下降165 MPa;同樣地,拉伸塑性變化不大.

表3 熱處理2對(duì)GH4738合金高溫拉伸性能影響

如表4所示,仿釬焊處理明顯降低GH4738合金在730 ℃、初始應(yīng)力550 MPa下的持久壽命,熱處理態(tài)合金的持久壽命為42.58 h,而經(jīng)過(guò)仿釬焊處理和時(shí)效處理后持久壽命下降明顯,僅為10.82 h.

表4 熱處理2對(duì)GH4738合金在730 ℃,

總之,仿釬焊處理明顯降低GH4738合金在室溫和540 ℃下拉伸強(qiáng)度,以及在730 ℃、初始應(yīng)力550 MPa下的持久壽命.

如圖1a所示,熱處理態(tài)下的GH4738合金試樣呈混晶組織,細(xì)晶約為8級(jí),粗晶約為1級(jí).如圖1b所示,仿釬焊處理對(duì)合金的晶粒組織影響不大,處理后的組織與熱處理態(tài)組織差別不大.如圖2所示,

熱處理態(tài)和經(jīng)仿釬焊處理后的室溫拉伸

圖1 仿釬焊處理對(duì)GH4738合金晶粒組織的影響Fig.1 Effect of brazing-like heating on the grain structure of GH4738 alloy(a)—熱處理1; (b)—熱處理2.

呈沿晶斷裂特征,斷口附近可見(jiàn)較多沿晶二次裂紋.如圖3所示,540 ℃拉伸斷口的形態(tài)與室溫拉伸類(lèi)似,也呈沿晶斷裂的特征,但斷口附近未見(jiàn)二次裂紋.圖2和圖3表明,拉伸裂紋傾向于在大晶粒的晶界處萌生和擴(kuò)展.

如圖4所示,熱處理態(tài)和經(jīng)仿釬焊處理態(tài)合金在730 ℃、初始應(yīng)力550 MPa下的持久斷口均呈典型的沿晶斷裂特征,二次裂紋傾向于在大晶粒的晶界萌生.

圖2 仿釬焊處理對(duì)室溫拉伸試樣縱剖面斷口形貌的影響

圖3 仿釬焊處理對(duì)540 ℃拉伸試樣縱剖面斷口形貌的影響Fig.3 Effect of brazing-like heating on fracture morphology of longitudinal section of tensile test samples at 540 ℃(a)—熱處理1; (b)—熱處理2.

圖4 仿釬焊處理對(duì)在730 ℃,載荷550 MPa下的持久試樣縱剖面斷口形貌的影響

如圖5所示,仿釬焊處理顯著影響γ′相析出.熱處理態(tài)合金的γ′相呈大小兩種尺寸,大γ′相呈球形,數(shù)量較少,彌散分布于密集析出了小γ′相的基體中(見(jiàn)圖5a). 經(jīng)仿釬焊處理后,大γ′相的數(shù)量顯著增多,尺寸明顯增大.

在高倍下對(duì)室溫拉伸、540 ℃拉伸和在730 ℃、初始應(yīng)力550 MPa下的持久性能試樣的γ′相析出情況進(jìn)行了觀察.如圖6a所示,熱處理態(tài)室溫拉伸試樣小γ′相密集分布于大γ′相周?chē)?如圖6b所示,仿釬焊處理態(tài)室溫拉伸試樣中,小γ′相析出明顯減少,大γ′相尺寸較大,并且其周?chē)嬖跓o(wú)γ′相析出區(qū).如圖7所示,GH4738合金γ′相的溶解溫度為980～1 050 ℃[11],本文的仿釬焊處理制度為:1 040 ℃保溫10 min.顯然,經(jīng)仿釬焊處理后,盡管大部分γ′相已經(jīng)發(fā)生溶解,但會(huì)有少量γ′相發(fā)生長(zhǎng)大.因此,釬焊處理后大γ′相的尺寸進(jìn)一步增大,數(shù)量進(jìn)一步增多.大γ′相的析出將大大地消耗其附近區(qū)域Al和Ti元素,因此造成其周?chē)纬蔁o(wú)γ′相析出區(qū)(見(jiàn)圖6b和圖7b).γ′相是GH4738合金的主要強(qiáng)化相,因此無(wú)γ′相析出區(qū)的強(qiáng)度將大大降低,即經(jīng)過(guò)仿釬焊處理后,大γ′相周?chē)臒o(wú)γ′相析出區(qū)成為“弱”區(qū).在拉伸載荷作用下,無(wú)γ′相析出區(qū)對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于正常區(qū)域,因此室溫和540 ℃拉伸屈服強(qiáng)度顯著降低(見(jiàn)表2和表3).但是,無(wú)析出區(qū)的優(yōu)先流變會(huì)產(chǎn)生形變強(qiáng)化,所以抗拉強(qiáng)度降低的幅度低于屈服強(qiáng)度.

圖5 仿釬焊處理對(duì)GH4738合金γ′相析出的影響Fig.5 Influence of brazing-like heating on precipitation of γ′ phase of GH4738 alloy(a)—熱處理1; (b)—熱處理2.

圖6 室溫拉伸試樣中的γ′相析出Fig.6 Precipitation of γ′ phase in tensile specimens at room temperature(a)—熱處理1; (b)—熱處理2.

圖7 540℃拉伸試樣中的γ′相析出Fig.7 Precipitation of γ′ phase in tensile specimens at 540 ℃(a)—熱處理1; (b)—熱處理2.

如圖8a所示,熱處理態(tài)持久試樣中γ′相析出情況與室溫拉伸試樣(見(jiàn)圖6a)類(lèi)似,不存在無(wú)γ′相析出的區(qū)域.但如圖8b所示,經(jīng)仿釬焊處理的持久試樣中,小γ′相明顯少于經(jīng)仿釬焊處理的拉伸試樣(見(jiàn)圖6b和圖7b),除了大γ′相之外,又出現(xiàn)了一些中等尺寸的γ′相.顯然,中等尺寸的γ′相是小γ′相在持久實(shí)驗(yàn)過(guò)程中長(zhǎng)大形成的.考慮到熱處理態(tài)試樣的持久壽命明顯比經(jīng)釬焊處理的試樣長(zhǎng)(見(jiàn)表4),而其γ′相經(jīng)持久實(shí)驗(yàn)后并未發(fā)生明顯的變化(見(jiàn)圖8a),所以釬焊處理顯然降低了小γ′相的穩(wěn)定性.這是由于大γ′相的長(zhǎng)大消耗了過(guò)多的Al和Ti原子,使小γ′相中的Al、Ti含量降低,穩(wěn)定性減弱.對(duì)于GH4738合金,大小γ′相互相配合可以有效地阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),延緩持久裂紋的萌生和擴(kuò)展.經(jīng)仿釬焊處理后,小γ′相在持久試驗(yàn)過(guò)程中急劇長(zhǎng)大,對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用減弱,蠕變速率增大,大晶粒通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)協(xié)調(diào)變形的能力較弱,所以裂紋容易沿大晶粒的晶界萌生和擴(kuò)展,持久壽命顯著降低.

圖8 在730 ℃,載荷550 MPa下持久試樣中的γ′相析出Fig.8 Precipitation of γ′ phase in persistent samples at 730 ℃ with load of 550 MPa(a)—熱處理1; (b)—熱處理2.

3 結(jié) 論

(1) 1 040 ℃保溫10 min的仿釬焊處理顯著降低GH4738合金在室溫和540 ℃下的拉伸屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度,這主要是由于大γ′相尺寸增大,數(shù)量增多,且其周?chē)纬蔁o(wú)γ′相析出的低強(qiáng)度區(qū).

(2) 1 040 ℃保溫10 min的仿釬焊處理導(dǎo)致GH4738合金γ′相穩(wěn)定性降低,γ′相在730 ℃初始應(yīng)力550 MPa下的持久試驗(yàn)過(guò)程中顯著長(zhǎng)大,合金持久壽命明顯降低.

參考文獻(xiàn):

[ 1 ] 謝錫善. 我國(guó)高溫材料的應(yīng)用與發(fā)展[J]. 機(jī)械工程材料, 2004,28(1):1-8.

XIE X S. The development and application of high temperature materials in China[J]. Materials for Mechanical Engineering, 2004,28(1):1-8.

[ 2 ] DRESHFIELD R L. Evaluation of mechanical properties of a low-cobalt wrought superalloy[J]. Journal of Materials Engineering and Performance, 1993,2(4):517-522.

[ 3 ] 馬國(guó)峰,魯志穎,賀春林. 時(shí)效處理對(duì)2024鋁合金晶界特征分布及性能的影響[J]. 沈陽(yáng)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2017,29(6):435-440.

MA G F,LU Z Y,HE C L. Influence of aging treatment on grain boundary character distribution and properties of 2024 aluminum alloy[J]. Journal of Shenyang University (Natural Science), 2017,29(6):435-440.

[ 4 ] 董建新. 高溫合金GH4738及應(yīng)用[M]. 北京:冶金工業(yè)出版社, 2014.

DONG J X. High temperature alloy GH4738 and its application[M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2014.

[ 5 ] 姚志浩. GH4738合金熱變形過(guò)程組織演化模型及其應(yīng)用[D]. 北京:北京科技大學(xué)博士論文, 2011.

YAO Z H. Microstructure evolution model of GH4738 alloy during hot deformation and its application[D]. Beijing: University of Science and Technology Beijing, 2011.

[ 6 ] SAJJADI S A,ELAHIFAR H R,FARHANGI H. Effects of cooling rate on the microstructure and mechanical properties of the Ni-base surperalloy UDIMET 500[J]. Journal of Alloys & Compounds, 2008,455(1):215-220.

[ 7 ] 任耀文. 真空釬焊工藝[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1993.

REN Y W. Vacuum brazing process[M]. Beijing: Mechanical Industry Press, 1993.

[ 8 ] 馮亮,葛鵬,楊義,等. Ti-10Cr合金析出相對(duì)硬度的影響[C]∥全國(guó)鈦及鈦合金學(xué)術(shù)交流會(huì), 2010:1-5.

FENG L,GE P,YANG Y,et al. Influence of precipitated phase on hardness of Ti-10Cr alloy[C]∥Proceeding of National Academic Exchange for Titanium and Titanium Alloys, 2010:1-5.

[ 9 ] 殷鐵志,畢中南,曲敬龍,杜金輝. GH4738合金鍛件的熱加工工藝研究[J]. 鋼鐵研究學(xué)報(bào), 2011(Z2):259-262.

YIN T Z,BI Z N,QU J L,et al. Investigation on hot working technology of GH4738 forging[J]. Journal of Iron and Steel Research, 2011(Z2):259-262.

[10] MANNAN S,PATEL S,DEBARBADILLLO J. Long term thermal stability of inconel alloy 718,706,909,and waspaloy at 593 ℃ and 704 ℃[C]∥POLLOCK T M,KISSINGER R D,BOWMAN R R. Superalloys. Pennsylvania: TMS, 2000:449.

[11] 中國(guó)金屬學(xué)會(huì)高溫材料分會(huì). 中國(guó)高溫合金手冊(cè)[M]. 北京:冶金工業(yè)出版社, 1972.

China Metal Association High Temperature Materials Branch. Manual of Chinese Superalloy[M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 1972.