譚海兵 李姝 王靜 汪亮亮 朱昌洪 王沖 劉康康 黃爍 鐘燕

（1.中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川成都610500；2.東北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110819；3.鋼鐵研究總院高溫材料研究所，北京100081）

GH4099合金是一種沉淀強(qiáng)化型高溫合金，可用于900℃下長(zhǎng)期服役的大型焊接承力構(gòu)件，短時(shí)使用溫度可達(dá)1000℃，已用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)加力筒體焊接零件［1-2］。GH4099合金中含有總量約16%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）的W、Mo、Co等固溶強(qiáng)化元素，3.3%左右的Al、Ti等時(shí)效強(qiáng)化元素和微量的B、Ce等晶界強(qiáng)化元素，因此具有較高的熱強(qiáng)性和組織穩(wěn)定性［1-2］，以及良好的熱加工塑性和焊接性能。

化學(xué)成分確定的情況下，熱處理工藝將對(duì)合金的顯微組織和力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響［3-4］。針對(duì)鎳基高溫合金，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在通過(guò)熱處理工藝來(lái)獲得理想的顯微組織進(jìn)而提高合金力學(xué)性能方面開(kāi)展了大量的研究。文獻(xiàn)［5-7］研究了不同熱處理工藝對(duì)鎳基單晶高溫合金的碳化物、γ′相等顯微組織和力學(xué)性能的影響，文獻(xiàn)［8-10］研究了不同熱處理工藝對(duì)鎳基鑄造高溫合金顯微組織和力學(xué)性能的影響，文獻(xiàn)［11-19］研究了不同固溶熱處理、時(shí)效熱處理對(duì)鎳基變形高溫合金的晶粒度、碳化物、γ′相等顯微組織和力學(xué)性能的影響，這些研究均表明，熱處理工藝對(duì)鎳基合金力學(xué)性能和顯微組織的影響十分顯著。

針對(duì)GH4099合金的相關(guān)研究工作主要集中于冷軋板材方面，包括Al、Ti含量和不同固溶溫度對(duì)冷軋板材高溫拉伸、高溫持久和晶粒度的影響［1，11-12，19-20］。然而，環(huán)鍛件采用熱軋成型，其成型方式對(duì)顯微組織和力學(xué)性能的影響與冷軋工藝相比有較大差異。生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，GH4099合金環(huán)鍛件的顯微組織和力學(xué)性能對(duì)固溶溫度十分敏感，秦升學(xué)等［21-22］的研究中提到，合金晶粒尺寸以及γ′相形態(tài)、分布和大小都與固溶溫度有著密切的關(guān)系，然而固溶溫度對(duì)GH4099合金持久壽命的影響規(guī)律及原因鮮有報(bào)道，因此需要開(kāi)展系統(tǒng)的研究，為生產(chǎn)工藝優(yōu)化提供理論和數(shù)據(jù)支撐。

文中以GH4099合金環(huán)鍛件為研究對(duì)象，分析了固溶溫度對(duì)合金顯微組織和力學(xué)性能的影響，測(cè)試了不同固溶溫度下合金的室溫硬度和高溫持久性能，并討論了相應(yīng)的影響規(guī)律和機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及試劑

文中選用的GH4099合金的主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 GH4099合金的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of GH4099 alloy

實(shí)驗(yàn)材料在真空感應(yīng)爐中熔煉成直徑為406mm的鑄錠，隨后采用電渣重熔工藝制備成直徑為406mm的鑄錠，經(jīng)高溫均勻化處理后，用快鍛機(jī)開(kāi)坯、鍛造，制備成直徑為250mm的棒材，再利用壓機(jī)鐓餅、沖床沖孔、碾環(huán)機(jī)環(huán)軋成外徑為400 mm、內(nèi)徑為300mm、高度為100mm的環(huán)鍛件。其后，將環(huán)鍛件剖分為相等的3部分，采用SX-1300℃箱式爐將試樣分別加熱到1080、1100和1120℃進(jìn)行固溶處理，保溫1h后空冷至室溫。將固溶后的試樣在900℃下進(jìn)行時(shí)效處理，保溫5h后空冷至室溫。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將固溶、時(shí)效處理后的試樣分別制備成10mm×10 mm×10 mm的金相試樣，經(jīng)機(jī)械研磨、拋光后，用5g氯化銅+100mL鹽酸+100mL乙醇配制的溶液蝕刻30～60 s。采用GX71型奧林巴斯金相顯微鏡對(duì)處理后的試樣進(jìn)行顯微組織觀察，采用日本電子公司生產(chǎn)的JSM-7200F型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察碳化物的形態(tài)及大小分布。經(jīng)機(jī)械研磨、拋光后，在20 V的電壓下使用20%硫酸+80%甲醇腐蝕液蝕刻5～8 s，然后在5 V的電壓下使用150 mL磷酸+10 mL硫酸+15g三氧化鉻腐蝕液蝕刻3～5s。采用JSM-7200F型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察γ′析出相的具體特征。試樣經(jīng)機(jī)械研磨、拋光后，使用日本JEOL公司生產(chǎn)的JXA-8350F型場(chǎng)發(fā)射電子探針顯微分析儀進(jìn)行面掃描，用于微觀元素分析。

采用截線法按照GB/T 6394—2002進(jìn)行晶粒度評(píng)級(jí)；按照GB/T 231.1—2018進(jìn)行布氏硬度測(cè)試，各測(cè)試3個(gè)點(diǎn)后取平均值；按照GB/T 2039—2012進(jìn)行高溫持久性能測(cè)試，試樣有效段尺寸為φ5mm×25 mm，各測(cè)試2個(gè)有效試樣后取平均值。采用JMatpro軟件計(jì)算合金凝固過(guò)程與熱力學(xué)平衡條件下的第二相析出種類及其對(duì)應(yīng)的化學(xué)成分組成。利用Image-Pro Plus圖像分析軟件統(tǒng)計(jì)γ′相的體積分?jǐn)?shù)和大小。

2 結(jié)果與討論

2.1 固溶溫度對(duì)顯微組織的影響

圖1為GH4099合金在不同固溶溫度下的金相組織。對(duì)圖1（a）所示1 080℃固溶和圖1（b）所示1 100℃固溶的試樣進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)晶粒度級(jí)數(shù)為6.5級(jí)，晶粒尺寸均勻；而圖1（c）所示1120℃固溶試樣中出現(xiàn)了混晶現(xiàn)象，且晶粒尺寸較1 080℃固溶和1100℃固溶試樣的更大，平均晶粒度級(jí)數(shù)為5級(jí)。該現(xiàn)象與文獻(xiàn)［19-20］中隨固溶溫度的提高板材晶粒長(zhǎng)大的結(jié)論一致。

GH4099合金主要以γ′相沉淀強(qiáng)化和W、Mo元素固溶強(qiáng)化，文中采用掃描電子顯微鏡（SEM）分析了固溶溫度為1080、1100和1120℃時(shí)試樣的γ′相形貌（見(jiàn)圖2）和分布情況。采用Image-Pro Plus圖像分析軟件分別對(duì)圖2所示圖像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果顯示，3種固溶溫度下，γ′相的體積分?jǐn)?shù)分別為30.1%、31.0%和29.9%，平均尺寸分別為47.3、48.5和49.3nm，并且分布較為分散、均勻，說(shuō)明固溶溫度對(duì)合金中γ′相的尺寸、含量和分布影響不大。

GH4099合金在以γ′相沉淀強(qiáng)化的同時(shí)，還會(huì)析出MC、M23C6兩種類型的碳化物和M3B2型硼化物進(jìn)行補(bǔ)充強(qiáng)化［2］。不同固溶溫度下試樣的晶內(nèi)碳化物SEM背散射電子形貌如圖3所示。可見(jiàn)，1080℃固溶和1100℃固溶的試樣均含有白亮色的顆粒狀碳化物，且前者數(shù)量略多于后者，而1120℃固溶試樣中顆粒狀碳化物的數(shù)量明顯減少。背散射電子形貌的襯度與第二相的元素組成相關(guān)，組成元素的原子序數(shù)越大，則第二相的襯度越白、越亮。

圖1 不同固溶溫度下試樣的金相組織Fig.1 Metallographic structure of samples after solution treatment at different temperatures

圖2 不同固溶溫度下試樣γ′相的SEM二次電子形貌（50 000倍率）Fig.2 Secondary electron morphology ofγ′phase of samples after solution treatment at different temperatures（with a magnification of 50 000）

表2列出了利用JMatpro軟件計(jì)算獲得的GH4099合金中不同類型碳化物及硼化物的組成。由表可知，MC型碳化物富含C、Ti和W元素，M23C6型碳化物富含C、Cr和Mo元素，M3B2型硼化物富含B、Cr和Mo元素。根據(jù)碳化物、硼化物元素種類及含量的不同，并結(jié)合C、Cr和Mo元素面掃描結(jié)果分析，可以鑒定GH4099合金的第二相種類。

圖3 不同固溶溫度下晶內(nèi)碳化物的SEM背散射電子形貌（500倍率）Fig.3 Backscattered electron morphology of intragranular carbides of samples after solution treatment at different temperatures（with a magnification of 500）

圖4 不同固溶溫度下碳化物EPMA元素面分布結(jié)果（5 000倍率）Fig.4 EPMA element surface distribution mappings of carbides of samples after solution treatment at different temperatures（with a magnification of 5000）

1 080℃和1 100℃固溶試樣中碳化物的電子探針顯微分析（EPMA）元素面分布結(jié)果如圖4所示，晶界碳化物和晶內(nèi)碳化物分布分別如圖4（b）、4（e）中白色箭頭所指，右側(cè)顏色條帶由上到下表示該元素濃度逐漸降低，由C、Cr、Mo元素分布可見(jiàn)，無(wú)論是晶界碳化物還是晶內(nèi)碳化物，都富集此3種元素。結(jié)合表2結(jié)果綜合分析可知，圖3（a）和圖3（b）中所示的亮白色顆粒相為晶內(nèi)M23C6型碳化物。

表2 GH4099合金中碳化物和硼化物的組成Table 2 Composition of carbides and borides of GH4099 alloy

由圖3可知，1 080℃固溶試樣晶內(nèi)M23C6型碳化物的平均直徑約為2.5μm，1 100℃固溶試樣晶內(nèi)M23C6型碳化物的平均直徑約為1.5μm，1 120℃固溶試樣中幾乎無(wú)晶內(nèi)M23C6型碳化物。圖5所示為利用JMatpro計(jì)算獲得的GH4099合金中碳化物和硼化物的相圖，可見(jiàn)M23C6型碳化物在溫度超過(guò)1090℃后會(huì)全部回溶。1 100℃固溶試樣與1 080℃固溶試樣相比，其M23C6型碳化物顆粒尺寸變小，數(shù)量減少，原因是固溶溫度超過(guò)回溶溫度（1090℃）后，在固溶處理的短時(shí)保溫過(guò)程中發(fā)生了部分回溶。此外，合金在900℃時(shí)效處理后，M23C6型碳化物還會(huì)再析出。對(duì)比圖4可見(jiàn)，1100℃固溶試樣與1080℃固溶試樣的晶界上還會(huì)析出富Cr元素的M23C6型碳化物。

圖5 GH4099合金中碳化物和硼化物的相圖Fig.5 Phase diagrams of carbide and boride of GH4099 alloy

圖6 所示為不同固溶溫度的晶界碳化物的SEM二次電子形貌，可見(jiàn)3種固溶溫度試樣的晶界上均分布著鏈狀的M23C6型碳化物。對(duì)比可知：1 100℃固溶試樣與1 120℃固溶試樣的晶界M23C6型碳化物含量較多，且晶界呈現(xiàn)出彎曲狀；而1 080℃固溶試樣晶界M23C6型碳化物含量較少，晶界較為平直；隨著固溶溫度的升高，晶界上的M23C6型碳化物顆粒含量逐漸增加，且鏈狀形貌更為明顯。

圖6 不同固溶溫度下晶界碳化物的SEM二次電子形貌（5000倍率）Fig.6 SEM secondary electron morphology of grain boundary carbide of samples after solution treatment at different temperatures（with a magnification of 5000）

2.2 固溶溫度對(duì)力學(xué)性能的影響

鍛件試樣經(jīng)1080、1100、1120℃固溶處理后，平均布氏硬度（HB）分別為285、280、277。由前文的顯微組織分析可知，1 100℃固溶試樣的晶內(nèi)M23C6數(shù)量較1080℃固溶試樣的少，當(dāng)1120℃固溶處理時(shí)，試樣晶內(nèi)M23C6碳化物幾乎全部回溶，失去了碳化物的補(bǔ)充強(qiáng)化作用，導(dǎo)致硬度降低。GH4099合金中碳化物對(duì)強(qiáng)度強(qiáng)化的貢獻(xiàn)只占總強(qiáng)度的2%～3%，γ′相沉淀強(qiáng)化的貢獻(xiàn)占總強(qiáng)度的45%～64%［20］，而合金經(jīng)3種不同固溶溫度處理后試樣的主要強(qiáng)化相γ′相的形貌和數(shù)量并無(wú)明顯差異。因此，隨固溶溫度的升高，試樣硬度雖表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，但下降幅度較少。

對(duì)3種固溶溫度下的試樣進(jìn)行900℃/150 MPa高溫持久壽命試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，固溶溫度在1 100℃和1 120℃時(shí)的高溫持久壽命平均值較1 080℃時(shí)的增加了約21 h，提高幅度達(dá)81.9%。

表3 不同固溶溫度下試樣的持久性能Table 3 Rupture properties of samples after solution treatment at different temperatures

選取1080℃固溶的持久壽命為24.70h、1100℃固溶的持久壽命為45.00 h、1 120℃固溶的持久壽命為46.60 h的持久斷口試樣進(jìn)行顯微組織分析，結(jié)果如圖7所示，持久試樣斷口附近的晶粒呈拉長(zhǎng)形貌，晶界存在大量的孔洞，表明GH4099合金高溫持久試樣的裂紋萌生和擴(kuò)展主要為沿晶開(kāi)裂。

固溶溫度為1080℃和1100℃時(shí)，晶粒內(nèi)部和晶界均存在M23C6型碳化物。由圖6可知，1080℃固溶試樣的晶內(nèi)碳化物數(shù)量多于1100℃固溶試樣，但晶界碳化物少于1 100℃固溶試樣；當(dāng)固溶溫度為1120℃時(shí)，晶內(nèi)顆粒狀的M23C6型碳化物幾乎全部回溶，在時(shí)效過(guò)程中基本全部以鏈狀形貌析出在晶界上。晶界上析出鏈狀的M23C6型碳化物可使晶界彎曲，進(jìn)而起到阻礙晶界紋萌生和擴(kuò)展的作用［23-24］。因而，1 100℃和1 120℃固溶試樣的持久壽命明顯高于1 080℃固溶試樣。然而，1 120℃固溶試樣發(fā)生了混晶現(xiàn)象，不利于顯微組織和力學(xué)性能的均勻控制。因此，對(duì)于采用熱軋工藝制備的GH4099合金環(huán)鍛件，最佳的固溶處理溫度為1100℃。

圖7 不同固溶溫度下持久試樣的斷口剖面金相組織Fig.7 Metallographic structure of rupture life fracture section of samples after solution treatment at different temperatures

3 結(jié)論

文中開(kāi)展了固溶溫度對(duì)環(huán)軋工藝生產(chǎn)的GH4099合金環(huán)鍛件顯微組織、硬度和高溫持久壽命的影響規(guī)律研究，得到以下結(jié)論：

1）1080℃和1100℃固溶試樣的晶粒度級(jí)別均為6.5級(jí)，1120℃固溶試樣的晶粒度級(jí)別為5.0級(jí)，且出現(xiàn)混晶現(xiàn)象；

2）3種固溶溫度對(duì)γ′相的尺寸和數(shù)量影響不大，晶內(nèi)顆粒狀M23C6型碳化物在1 100℃以上的固溶溫度下發(fā)生回溶，時(shí)效處理后以鏈狀形態(tài)在晶界處析出，使晶界由1 080℃固溶試樣的平直狀變?yōu)?100℃和1120℃固溶試樣的彎曲狀；

3）合金硬度隨著固溶溫度的升高略微降低，由于晶界處鏈狀M23C6型碳化物的析出，相較于1 080℃固溶試樣，1 100℃和1 120℃固溶試樣的持久壽命顯著提升。