李榮之，曹征寬，余朝龍，凡 淳，張全新

(1.重慶鋼鐵研究所有限公司，重慶 400084；2.重慶理工大學(xué)，重慶 400054)

鎳基高溫合金具有良好的高溫強度、組織穩(wěn)定性和抗氧化耐腐蝕性能，已在航空航天領(lǐng)域中得到了重要應(yīng)用，也廣泛用于核工業(yè)和能源工業(yè)等領(lǐng)域[1]。其中GH4099是作為一種典型的鎳基時效強化高溫合金，具有優(yōu)良的高溫力學(xué)性能、抗蠕變性能和耐腐蝕性能，主要用于航空航天發(fā)動機。該合金通過固溶時效處理后具有良好的熱強性，900 ℃以下可以長期使用，最高工作溫度可達1000 ℃，成為航空航天應(yīng)用領(lǐng)域中的重要金屬材料[2]。GH4099合金以Ni、Cr元素為主，通過W、Mo、Co等元素進行固溶強化，以Al、Ti進行時效強化，以B進行晶界強化，通過固溶、時效處理后形成以γ相為基體并含有其他化合物相的復(fù)雜組織，能夠滿足航空發(fā)動機燃燒室的高溫工作要求[3]。GH4099合金的成分優(yōu)化和熱處理工藝條件的改進，是不斷提高合金使用性能的重要途徑。夏長林等研究表明，GH4099合金提高W、Mo、Co合金含量，控制Mg元素范圍，對提高合金強度有利[4]；秦升學(xué)等通過提高時效溫度和延長時效時間，改變了γ′相的形態(tài)和尺寸，750 ℃時效時合金獲得的硬度最高[5]。

由于熱處理對鎳基合金的性能影響較大，所以選擇合適的熱處理工藝對優(yōu)化GH4099鎳基高溫合金的性能具有重要的意義。本文通過不同溫度下的固溶和時效處理工藝實驗，研究固溶時效處理工藝對GH4099高溫合金組織的影響。

1 實驗材料及方法

本文選用GH4099實驗材料，其主要化學(xué)成分含量如表1所示。

表1 GH4099合金化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

實驗材料在熱處理前的狀態(tài)為熱鍛態(tài)圓棒，將其制成10 mm×10 mm規(guī)格的多個試樣，按照GH4099固溶處理和時效處理的熱處理溫度范圍，采用SX2-4-13箱式電阻爐分別加熱到1050 ℃、1100 ℃和1150 ℃進行固溶處理，保溫1 h后空冷到室溫。將固溶處理后的試樣分別在750 ℃、850 ℃和950 ℃進行時效熱處理，保溫4 h后空冷到室溫。

將固溶時效處理后的試樣制備成金相試樣，采用鹽酸-硫酸-硫酸銅溶液進行腐蝕，腐蝕劑配比如表2所示。在室溫下浸蝕30-60 s后立即用酒精清洗并吹干，采用DMI5000M型徠卡金相顯微鏡對處理后的試樣進行金相組織觀察，采用HVS-1000型自動轉(zhuǎn)塔數(shù)顯顯微硬度計進行顯微硬度檢測。

表2 金相腐蝕試劑的配比

2 實驗結(jié)果

2.1 熱處理對組織的影響

GH4099合金固溶處理前為熱鍛狀態(tài)，其顯微組織結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖中可以觀察到，不規(guī)則塊狀白色組織即為合金的基體γ相即奧氏體，其晶粒尺寸較大，由于熱加工使得部分晶粒呈一定比例的變形，未發(fā)生完全再結(jié)晶，晶粒內(nèi)部存在較多大顆粒狀析出相，這是該材料在鍛后空冷而未固溶熱處理前的組織特征。

圖1 GH4099熱處理前的組織Fig.1 The microstructure of GH4099 before heat treatment

在不同溫度下固溶1 h再進行750 ℃時效4 h后的金相組織如圖2所示。圖2(a)、圖2(b)、圖2(c)分別為1050 ℃、1100 ℃和1150 ℃三種固溶溫度。固溶后基體γ相變?yōu)榈容S晶，較大顆粒的析出相已基本溶解，晶粒內(nèi)部重新析出彌散細小的第二相 即γ′相，它是合金的重要強化相。由圖2(a)與圖2(b)金相組織相差不大，晶粒未明顯長大，圖2(c)中基體γ相晶粒尺寸增加，細小顆粒狀γ′析出相增加。GH4099合金中大顆粒狀析出相在1050 ℃以上完全溶解在基體中，時效時γ′相重新析出，固溶溫度超過1100 ℃時，由于γ′相溶解在基體中削弱了對晶粒長大的限制作用，基體相的晶粒會逐漸長大，溫度上升到1150 ℃時，又由于溫度較高會加快晶界的遷移速率，使得晶粒長大速度迅速加快。此外，固溶處理溫度越高，合金元素的固溶效果越好，時效析出的效果越好。因此，在750 ℃下時效處理工藝相同時，隨著固溶溫度升高，合金晶粒尺寸長大，析出相數(shù)量增加。

圖2 不同溫度固溶后經(jīng)750 ℃時效的組織Fig.2 Microstructure after solid solution at different temperatures and aging at 750 ℃(a)1050 ℃ (b)1100 ℃ (c)1150 ℃

850 ℃時效4 h的組織如圖3所示。由圖3中的組織可以看出，隨著固溶溫度的升高，GH4099合金的晶粒尺寸增加且在1150 ℃組織最為粗大；從圖中也可以看出850 ℃時效處理時，1100 ℃固溶處理后的析出相數(shù)量最多。造成這一現(xiàn)象的原因在于，1150 ℃固溶溫度較高，大量的合金元素溶入基體，降低了對晶粒長大中晶界遷移的阻礙，獲得了粗大的組織，同時由于合金元素在較短的時效時間內(nèi)來不及析出，因此組織粗大但析出相數(shù)量較低。

圖3 不同溫度固溶后經(jīng)850 ℃時效的組織Fig.3 Microstructure after solid solution at different temperatures and aging at 850 ℃(a)1050 ℃ (b)1100 ℃ (c)1150 ℃

950 ℃時效4 h的組織如圖4所示。隨著固溶溫度的升高，基體組織的特征規(guī)律與850 ℃時效處理的情況基本一致，即晶粒尺寸增加隨固溶處理溫度升高而長大，在1150 ℃組織最為粗大；從圖中也可以看出950 ℃時效處理時，1100 ℃和1150 ℃固溶處理后的析出相數(shù)量均較多，950 ℃時效的析出相顆粒相對較低溫度的時效析出相顆粒發(fā)生較明顯粗化，這是由于較高溫度時效處理時溶解于基體相的合金元素沉淀速度加快，析出相的含量和顆粒尺寸增加。

圖4 不同溫度固溶后經(jīng)950 ℃時效的組織Fig.4 Microstructure after solid solution at different temperatures and aging at 950 ℃(a)1050 ℃ (b)1100 ℃ (c)1150 ℃

2.2 熱處理對硬度的影響

采用顯微維氏硬度計對不同熱處理工藝的GH4099試樣進行硬度檢測，其結(jié)果如表3所示，硬度值與熱處理工藝的關(guān)系如圖5所示。

從表3、圖5可以看出，在不同的熱處理工藝條件下，合金的硬度呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性變化。在相同固溶溫度下進行不同溫度的時效處理，850 ℃時效處理后的硬度最高，950 ℃時效處理后的硬度最低。在相同的時效溫度下，不同固溶處理得到的顯微硬度相差不大，隨著固溶溫度的升高，析出細小碳化物的數(shù)量升高使硬度上升，但同時晶粒的尺寸的長大會使硬度下降，因此該合金的硬度隨固溶溫度的變化不大。

表3 GH4099熱處理后的硬度

圖5 熱處理工藝對合金硬度的影響Fig.5 Effect of heat treatment process on hardness of alloy

3 實驗結(jié)果分析

GH4099合金中的相組成主要有四種，即γ相、γ′相、碳化物和硼化物。γ相為基體奧氏體相，是由鎳原子構(gòu)成的面心立方結(jié)構(gòu)。γ′相是具有面心立方有序結(jié)構(gòu)的金屬間化合物，合金中存在較多而彌散的共格相γ′，它是合金的主要強化相，γ′相的析出使合金獲得很高的高溫強度。GH4099合金進行固溶處理時，需加熱至基體γ相的單相區(qū)，并保溫一段時間使γ′相和碳化物溶于基體，得到過飽和固溶體，并形成孿晶，這是由于GH4099合金的層錯能低，大角度晶界在遷移吸收位錯后易出現(xiàn)堆垛層錯現(xiàn)象，從而形成孿晶。當(dāng)溫度逐漸升高，孿晶尺寸隨晶粒長大而增加，在晶粒長大的過程中，晶界的遷移也會促進退火孿晶的形成，退火孿晶因呈平行的條狀也能從以上實驗中清楚地觀察到。固溶處理獲得均勻組織，γ′相溶解于基體中，合金元素呈過飽和狀態(tài)，為接下來時效處理時在合金的晶內(nèi)、晶界、孿晶界以及相界析出強化相做準(zhǔn)備，固溶溫度越高，第二相在基體的溶解度越大，且分布更均勻。保溫時間越長，一方面使第二相在基體的溶解度增大，但另一方面晶粒尺寸也會增大。不同的時效溫度和保溫時間對合金的時效效果產(chǎn)生較大影響，由于γ′相在時效過程中形核和長大，隨著時效溫度升高和時間延長，形核和長大過程加快，時效處理效果更為充分[6]。

楊枬森等指出GH4099強度的45%～64%來自γ′相沉淀強化，合金的性能直接受γ′相的數(shù)量和尺寸的影響，在GH4099合金中存在γ′相粒子尺寸臨界值，此時γ′相的強化作用最強，反之則減弱[7]。姚志浩等研究表明，在相對較低的溫度下時效時，隨著時間的延長，強化相粒子長大到一定尺寸，最大程度阻礙位錯運動，之后隨著強化相粒子的進一步粗化，其阻礙位錯運動的能力逐漸減弱[8]。時效初始階段，形成大量細小γ′相粒子，導(dǎo)致系統(tǒng)擁有很高的界面能，此時合金硬度較高；隨著時效溫度的升高和時效時間延長，γ′相粒子聚集并粗化，使系統(tǒng)總界面降低，使得GH4099 合金硬度不斷下降[9]。

因此根據(jù)以上組織和硬度的檢測分析可知，隨著固溶溫度的升高，合金晶粒粗化的趨勢增加；在相同的固溶溫度下，隨著時效溫度的升高，合金晶粒尺寸無明顯變化，這是由于時效溫度低于該合金晶粒長大溫度，而一次碳化物數(shù)量變化也不明顯，這是因為一次碳化物的熔點高且穩(wěn)定性很好，在850 ℃時效時，合金析出的彌散相數(shù)量最多，因此硬度最高，750 ℃時效時析出相數(shù)量相對較少，顆粒更為細小，因此其硬度相對較低，而950 ℃時效時由于析出加速和聚集，獲得的析出相明顯粗化，同時有部分碳化物和強化相被溶解，因此其硬度最低。

4 結(jié)論

(1)在相同時效溫度下，固溶溫度對基體的組織影響明顯，呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，隨著固溶溫度的升高，合金基體晶粒尺寸呈增加趨勢，1150 ℃固溶時晶粒尺寸最大。

(2)在相同固溶溫度下，隨著時效溫度的升高，析出相的含量增加，尺寸增大。經(jīng)1150 ℃固溶1 h并在950 ℃時效4 h后的析出相數(shù)量最多，尺寸最大。

(3)合金硬度對固溶處理溫度不敏感，但受時效溫度影響較大，合金硬度隨時效溫度的升高呈現(xiàn)先升后降的趨勢，合金固溶后經(jīng)850 ℃時效處理的硬度最高，950 ℃時效處理后的硬度最低。