熱處理制度對(duì)GH4169冷軋葉片組織性能的影響

張尊禮，史鳳嶺，張凡云，牛 靜，郭殿品，吳自然，施國(guó)梅

(沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110043)

GH4169合金，美國(guó)牌號(hào)為Inconel718，是一種含Nb的高強(qiáng)度鎳-鉻-鐵基高溫合金，主要用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫部件，如渦輪盤(pán)、葉片、機(jī)匣等［1-6］.該合金的主要強(qiáng)化相為體心四方的γ''相及面心立方的γ'相，在650℃以下具有較高的強(qiáng)度和塑性、良好的抗疲勞和耐腐蝕性［7-11］，是目前航空航天領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的高溫合金［12-15］.GH4169合金冷輥軋葉片的制造過(guò)程是從坯料開(kāi)始經(jīng)過(guò)多次冷軋變形、軟化熱處理、中間熱處理及最終熱處理，直到獲得滿意的金相組織及性能合格的葉片，這是一個(gè)完整的工藝鏈.本文研究熱處理軟化制度變化對(duì)GH4169合金組織性能的影響，為GH4169合金冷輥軋葉片熱處理制度的制定提供依據(jù).

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)用GH4169合金，化學(xué)成分見(jiàn)表1，板材規(guī)格為2.5 mm厚固溶狀態(tài)的冷軋板，棒材為Φ20 mm固溶狀態(tài)的熱軋棒.GH4169合金板材分別按 10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%變形程度進(jìn)行冷軋，冷軋后選擇970、980、995℃在箱式電爐內(nèi)進(jìn)行軟化處理.GH4169合金棒材冷軋變形后進(jìn)行970和995℃軟化處理，板材冷軋變形后進(jìn)行1 000℃軟化處理，葉片冷軋后進(jìn)行970℃軟化處理，然后均進(jìn)行中間處理和固溶時(shí)效處理.中間處理制度為900℃，空冷，固溶時(shí)效處理制度為1 010℃，空冷+720℃ ×8 h冷至620℃ ×8 h，空冷.試驗(yàn)完畢后，用金相顯微鏡及拉力試驗(yàn)機(jī)等檢測(cè)合金金相組織和力學(xué)性能.

表1 GH4169合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

2 結(jié)果及分析

2.1 軟化處理溫度對(duì)硬度的影響

GH4169冷軋板材經(jīng)不同變形量冷軋后，再經(jīng)不同溫度軟化處理后的硬度變化情況如圖1所示，可以看出不同變形程度的試樣軟化處理后硬度比冷軋狀態(tài)有明顯降低.970和980℃軟化處理后硬度值在100 HRB上下波動(dòng)，而995℃軟化處理后硬度降低幅度更大些.

圖1 軟化溫度對(duì)冷變形后的GH4169板材硬度的影響

影響冷軋變形后硬度有兩個(gè)因素:一個(gè)是冷軋后再結(jié)晶行為，再結(jié)晶越完全，硬度越低;另一個(gè)因素是合金中相含量的變化，γ″相、δ相數(shù)量越多，合金硬度越高.前期工作研究表明，25% ～65%冷變形量的GH4169合金在910℃退火條件下，再結(jié)晶所需時(shí)間隨冷變形量增加而減少，如25%變形量的合金完成再結(jié)晶的時(shí)間為20 min，而65%變形量的合金完成再結(jié)晶的時(shí)間僅為2.5 min，再結(jié)晶完成后合金硬度降至最低.并且GH4169合金在960℃下，2.5 min內(nèi)硬度急劇降低，但是隨著時(shí)間的延長(zhǎng)硬度緩慢降低，說(shuō)明再結(jié)晶已經(jīng)完成.

根據(jù)上述研究結(jié)果，試驗(yàn)中GH4169合金冷輥軋板材選用970～995℃軟化處理后，都會(huì)完成再結(jié)晶，但試驗(yàn)結(jié)果表明，不同軟化溫度處理后合金硬度并不相同.Inconel718合金經(jīng)960℃ ×30 min退火處理后，合金中 δ相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.05%，γ″相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.77%，γ'相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.94%，較高含量的δ相和γ″相對(duì)基體硬度會(huì)帶來(lái)影響.而航空材料手冊(cè)［15］給出的數(shù)據(jù)，GH4169合金δ相開(kāi)始溶解的溫度為980℃，完全溶解溫度為1 020℃，在δ相開(kāi)始溶解的溫度下，γ'相和γ″相都已經(jīng)完全溶于基體.

在軟化處理過(guò)程中，不僅希望冷軋后的試樣發(fā)生完全再結(jié)晶，同時(shí)期望合金中的強(qiáng)化相都能充分溶入基體，這樣才能使基體得到充分軟化.從試驗(yàn)結(jié)果看，雖然970、980℃溫度下軟化處理實(shí)現(xiàn)了完全再結(jié)晶，但是合金中的強(qiáng)化相有可能固溶不徹底，對(duì)基體仍有一定的強(qiáng)化效果，對(duì)硬度的增高起一定的作用.相比之下，995℃溫度下軟化處理后合金硬度有更明顯的降低，說(shuō)明此溫度不僅實(shí)現(xiàn)了完全再結(jié)晶，而且強(qiáng)化相溶解更為充分.冷軋葉片經(jīng)995℃軟化處理后，硬度檢測(cè)結(jié)果如表2所示.

從表2可知，有83.3%的爐批硬度在99 HRB以下，只有16.7%的爐批硬度在99～101 HRB，硬度值變化比較穩(wěn)定，可以認(rèn)為995℃軟化處理對(duì)冷軋葉片有明顯的軟化效果.

表2 冷軋葉片995℃軟化處理后硬度統(tǒng)計(jì)

2.2 GH4169合金冷軋后軟化處理溫度對(duì)力學(xué)性能的影響

為了探討冷軋后軟化處理溫度對(duì)GH4169合金力學(xué)性能的影響，GH4169棒材、板材和葉片冷軋變形后經(jīng)970～1 000℃軟化處理、中間處理和固溶時(shí)效處理后進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)，表3列出了軟化處理溫度為1 000℃的GH4169板材的機(jī)械性能，表4列出了軟化處理溫度為970℃的GH4169棒材的機(jī)械性能，表5列出了軟化處理溫度為995℃的GH4169棒材的機(jī)械性能，表6列出了軟化處理溫度為970℃的GH4169葉片的機(jī)械性能.表7列出了GH4169板材、棒材和葉片的各機(jī)械性能技術(shù)條件.

從試驗(yàn)結(jié)果可以看到，GH4169合金棒材經(jīng)不同溫度軟化處理后，室溫和高溫性能都變化不大，說(shuō)明軟化處理對(duì)合金力學(xué)性能無(wú)明顯影響.冷軋板及冷軋葉片分別采用1 000和970℃進(jìn)行軟化處理，隨后采用相同制度的中間處理和最終處理，其力學(xué)性能均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于技術(shù)條件要求.上述結(jié)果可以認(rèn)為GH4169合金軟化處理對(duì)力學(xué)性能影響很小，而中間處理和最終固溶時(shí)效熱處理是決定力學(xué)性能的重要工序，原因可能是δ相等析出相造成的.

表3 軟化溫度1 000℃的GH4169板材機(jī)械性能

表4 軟化溫度970℃的GH4169棒材機(jī)械性能

表5 軟化溫度995℃的GH4169棒材機(jī)械性能

表6 軟化溫度970℃的GH4169葉片機(jī)械性能

表7 GH4169機(jī)械性能技術(shù)條件

2.3 金相組織分析

未經(jīng)冷變形的 GH4169棒材，經(jīng) 970和995℃溫度軟化處理后，金相組織如圖2所示.

從圖2可以看出，不同溫度軟化處理后晶粒度沒(méi)有明顯變化，但δ相的顆粒尺寸和數(shù)量卻不完全相同，溫度低時(shí)，δ相在晶界及晶內(nèi)都有析出，數(shù)量較多，顆粒較大，而溫度高時(shí)，δ相顆粒較小，數(shù)量也少，這可能是在溫度低時(shí)，原始的δ相沒(méi)有完全溶解，在隨后900℃處理時(shí)δ相進(jìn)一步析出，顆粒尺寸也會(huì)有所長(zhǎng)大.

圖2 未經(jīng)冷變形GH4169棒材不同軟化溫度金相組織

圖3中金相組織的狀態(tài)為GH4169冷軋板材第一次不同程度的冷軋變形后進(jìn)行995℃軟化處理，接著第二次變形，經(jīng)第二次變形后再進(jìn)行中間處理和最終的固溶時(shí)效處理.可以看出當(dāng)?shù)诙巫冃瘟繛?8%時(shí)，δ相沿晶界優(yōu)先析出，晶內(nèi)δ相呈短棒狀，隨著變形量由18%逐漸增加到50%時(shí)，δ相呈現(xiàn)為顆粒狀，在晶內(nèi)晶界同時(shí)均勻析出，尺寸較小，數(shù)量較多.當(dāng)變形量達(dá)到28%時(shí)，δ相析出行為較為理想.

資料研究結(jié)果［3］表明，910℃加熱溫度下，δ相直接從奧氏體中析出，冷變形量影響δ相的形核和長(zhǎng)大機(jī)制，變形量小時(shí)，δ相首先在初始孿晶和晶界上析出，隨后在再結(jié)晶晶內(nèi)析出，隨著冷變形量增加，δ相形核速率增加，長(zhǎng)大速率降低，故在試驗(yàn)中我們可以看到，隨著冷變形程度增加，δ相分布均勻，顆粒細(xì)小.

同時(shí)還發(fā)現(xiàn)變形量較低(18% ～28%)時(shí)再結(jié)晶進(jìn)行不完全，局部有孿晶組織，隨著變形量增加(40%以上)，再結(jié)晶更加完全，由于900℃中間處理后，δ相呈彌散顆粒狀析出，固溶處理時(shí)會(huì)起到阻礙晶粒長(zhǎng)大的作用，故變形量大時(shí)δ相分布均勻、細(xì)小，而且晶粒較小.

GH4169冷軋葉片經(jīng)970℃軟化及中間和固溶時(shí)效處理后金相組織如圖4所示，雖然晶粒均勻，晶粒度為9-10級(jí)，但是經(jīng)970℃軟化處理后δ相顆粒尺寸較大，并且在晶內(nèi)、晶界均存在，與GH4169合金棒材組織相似，這進(jìn)一步說(shuō)明要想使δ相充分溶入基體，提高軟化溫度是有利的.

圖3 不同變形量GH4169板材經(jīng)995℃軟化及中間和固溶時(shí)效處理后金相組織

眾所周知，GH4169合金主要強(qiáng)化相有γ″、δ和 γ'相，其中 γ″對(duì)合金強(qiáng)化起主要作用，γ″相是亞穩(wěn)相，開(kāi)始析出溫度為600℃，析出峰溫度為760℃，GH4169合金固溶處理并于720℃→620℃時(shí)效后，γ″相析出，γ″相在合金中質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高可達(dá)10%，從而使材料實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化.當(dāng)溫度高于700℃時(shí)，γ″相向δ相轉(zhuǎn)化，控制δ相的析出行為，不但能細(xì)化組織，而且對(duì)于改善合金缺口敏感起到重要作用.熱處理制度與輥軋工藝的匹配是獲得滿意的金相組織與性能合格的葉片的關(guān)鍵.第一次冷軋變形后，軟化處理應(yīng)使材料最大程度地軟化，以便為第二次冷軋?zhí)峁┯欣麠l件，使第二次冷軋順利進(jìn)行，葉片不產(chǎn)生裂紋，所以軟化溫度由970℃提高到995℃，再結(jié)晶已充分完成，各種強(qiáng)化相特別是δ相已大部分溶解于基體，硬度大幅度降低，就可以達(dá)到這一目的.葉片經(jīng)第二次冷軋后變形量不低于28%時(shí)，在900℃熱處理及1 010℃+720℃→620℃固溶時(shí)效后，由于δ相在基體上以顆粒彌散均勻析出，對(duì)細(xì)化組織起到了明顯作用，加之γ''相、γ'相充分析出，使合金得到強(qiáng)化，有利于力學(xué)性能的提高，并且無(wú)缺口敏感性.

圖4 GH4169冷軋葉片經(jīng)970℃軟化及中間和固溶時(shí)效處理后金相組織

3 結(jié)論

1)GH4169冷輥軋葉片冷軋后采用970～995℃軟化處理制度，可以使硬度得到明顯降低，有利于第二次冷軋的進(jìn)行.

2)采用995℃溫度進(jìn)行軟化處理，可以得到更好的軟化效果，且對(duì)合金組織性能無(wú)影響.

3)GH4169合金冷軋變形后，軟化處理對(duì)力學(xué)性能影響很小，而中間處理和最終固溶時(shí)效熱處理是決定力學(xué)性能的重要工序.

4)冷輥軋葉片所選用的中間處理和固溶時(shí)效制度，對(duì)于改善金相組織及力學(xué)性能會(huì)起到有效作用.

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