GH4169G合金零件異常腐蝕區(qū)缺陷分析

劉巧沐，黃順洲，陳玉龍，王春健，裴會(huì)平

(中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都610500)

1 引言

GH4169G合金是我國(guó)在優(yōu)質(zhì)GH4169合金成分的基礎(chǔ)上，采用P、B微合金復(fù)合強(qiáng)化方法發(fā)展而成的一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)鎳基高溫合金。其以面心立方的γ′相 Ni3(Al、Ti、Nb)沉淀強(qiáng)化，在保持GH4169合金優(yōu)異性能的同時(shí)，將使用溫度從650℃提高至680℃，且在680℃時(shí)不降低其力學(xué)性能與工藝性能[1-5]。因此，GH4169G合金被廣泛應(yīng)用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)整體葉盤(pán)、軸頸及低壓渦輪盤(pán)等大載荷零件[2-5]。

對(duì)于GH4169G合金零件，尤其是轉(zhuǎn)動(dòng)件，其冶煉工藝、熱成形工藝及熱處理等關(guān)鍵過(guò)程決定其組織和性能[4-8]。某項(xiàng)目中，三聯(lián)冶煉的GH4169G合金棒材在檢驗(yàn)、復(fù)驗(yàn)合格后，經(jīng)等溫鍛造成型鍛件毛坯，再經(jīng)完全熱處理、腐蝕、粗加工、水浸探傷、質(zhì)量一致性檢驗(yàn)合格后交付。然而，某爐號(hào)GH4169G合金鍛件毛坯在粗加工、去應(yīng)力熱處理、精加工后，在全面腐蝕檢查工序時(shí)發(fā)現(xiàn)零件外表面出現(xiàn)異常腐蝕區(qū)。本文針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中零件全面腐蝕工序發(fā)現(xiàn)的白斑、氧化物等缺陷進(jìn)行了分析與探討，以期為進(jìn)一步提高GH4169G合金零件質(zhì)量、更好地理解和認(rèn)識(shí)GH4169G合金的應(yīng)用積累數(shù)據(jù)。

2 分析方法

首先采用接觸法對(duì)零件進(jìn)行超聲探傷。完成超聲探傷后，為了不破壞異常腐蝕區(qū)，先采用線切割方法切下異常腐蝕區(qū)，再將零件內(nèi)外表面重新打磨，進(jìn)行低倍擦拭腐蝕。腐蝕劑采用HCl：H2SO4：CuCl2=500 ml：35 ml：150 g組成的混合溶液，腐蝕時(shí)間 60～120 min。

在存在異常腐蝕區(qū)的部位切片，過(guò)異常腐蝕區(qū)切開(kāi)，制備成金相試樣，采用光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡對(duì)缺陷的組織和成分進(jìn)行分析。然后，將試片的異常腐蝕區(qū)進(jìn)行拋磨和腐蝕，觀察異常腐蝕區(qū)的面積，并利用能譜儀對(duì)其化學(xué)成分進(jìn)行分析。

3 分析與討論

3.1 探傷

因零件已基本完成加工且型面較復(fù)雜，不適合采用水浸超聲探傷。采用接觸法超聲探傷，信號(hào)顯示無(wú)異常。

3.2 低倍組織

經(jīng)質(zhì)量復(fù)查，GH4169G合金棒材及其鍛件毛坯在三聯(lián)冶煉、熱處理和檢驗(yàn)過(guò)程中均無(wú)異常。切下異常腐蝕區(qū)(圖1)后，對(duì)零件內(nèi)、外表面再次進(jìn)行全面腐蝕，結(jié)果表明其余部位低倍組織均勻，未見(jiàn)異常(圖 2)。

圖1 異常腐蝕區(qū)宏觀形貌Fig.1 The macroscopic morphology of the abnormal corrosion spots

3.3 異常腐蝕區(qū)缺陷類別判定

采用金相顯微鏡對(duì)異常腐蝕區(qū)切片表面進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)表面存在橢圓形黑色區(qū)域(圖3)。采用掃描電子顯微鏡對(duì)黑色區(qū)域進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域整體呈現(xiàn)出傷疤狀形貌(圖4(a))。圖4(a)中A點(diǎn)和B點(diǎn)的能譜分析結(jié)果如圖4(b)、圖4(c)所示，A點(diǎn)和B點(diǎn)的主要成分為C和O，并含有少量Ca和Mg。同時(shí)，在圖4(a)視場(chǎng)的周圍區(qū)域分布的圓形黑點(diǎn)(圖4(d))的主要成分則為C、N、O，并含有少量Ca。

圖2 切除異常腐蝕區(qū)后零件表面的腐蝕形貌Fig.2 The macroscopic morphology of the part surface after removing the abnormal corrosion spots

圖3 異常腐蝕區(qū)切片上存在的黑色區(qū)域Fig.3 The black zones on the slice of abnormal corrosion spots

將圖3中異常腐蝕區(qū)表面黑色區(qū)域用線切割方法切開(kāi)，并將切割面研磨制樣腐蝕，觀察該黑色區(qū)域沿厚度方向的組織。由圖5和圖6可知，試樣橫截面組織整體均勻，但在試樣截面淺表對(duì)應(yīng)異常腐蝕區(qū)表面黑色區(qū)域的位置存在一條淺黑色粗晶條帶。與周圍均勻分布的晶粒組織相比，該淺黑色粗晶條帶區(qū)為晶粒粗大的混晶區(qū)（圖6），條帶寬約3 590.0 μm，厚度最大處約375.0 μm?；炀^(qū)中粗晶組織的平均晶粒度約5級(jí)?；炀^(qū)周圍為均勻細(xì)小的細(xì)晶組織，平均晶粒度約12級(jí)。

圖4 圖3中黑色區(qū)域表面形貌及化學(xué)成分Fig.4 The surface morphology and the chemical components of the black zone in Fig.3

圖5 圖3中黑色區(qū)域截面宏觀形貌Fig.5 The cross section macroscopic morphology of the black zone in Fig.3

圖6 圖5中黑色區(qū)域高倍組織Fig.6 The microscopic morphology of the black zone in Fig.5

分別對(duì)混晶區(qū)和正常組織區(qū)隨機(jī)選取三個(gè)位置進(jìn)行能譜分析，得到元素在不同區(qū)域的分布(取平均值)，結(jié)果見(jiàn)表1。由表可知，與正常組織區(qū)域相比，混晶組織的Nb和Ti的含量均小于正常區(qū)域，由此可確定混晶區(qū)域?yàn)榘装遊9-10]，即異常腐蝕區(qū)為白斑缺陷。由前所述，白斑區(qū)平均晶粒度約5級(jí)，正常組織平均晶粒度約12級(jí)，二者的平均晶粒度偏差超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1.5級(jí)[10]。

表1 正常區(qū)和混晶區(qū)的元素分布(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %Table 1 The components of the normal structure and the mixed grain structure

3.4 白斑類別判定

在圖5和圖6的白斑區(qū)截面高倍組織中，發(fā)現(xiàn)了零星分布的富Ca和富Mg夾雜顆粒。夾雜顆粒尺寸較小(約1.5 μm)，其形貌及能譜分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 白斑中夾雜顆粒形貌和化學(xué)成分Fig.7 The morphology and the components of the inclusive particles in the white spots

將帶白斑缺陷的異常腐蝕區(qū)的切片，沿白斑位置處的外表面磨光腐蝕，肉眼觀察該區(qū)域呈白亮金屬光澤。白斑區(qū)域呈長(zhǎng)約14.5 mm、最寬處約3.7 mm的類似蟲(chóng)狀的長(zhǎng)條形(圖8)，其長(zhǎng)度超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的8.0 mm的最大長(zhǎng)度[10]。

圖9為金相試樣白斑區(qū)域表面在光學(xué)顯微鏡下得到的金相照片的合成圖片?？梢?jiàn)，蟲(chóng)狀白斑區(qū)外表面低倍組織與其橫截面的低倍組織(圖6)一樣，均以白色的塊狀相為主，并且在白斑區(qū)仍可發(fā)現(xiàn)離散分布的富Ca、富Mg夾雜顆粒(圖10)。

圖8 白斑區(qū)表面宏觀形貌Fig.8 The surface macroscopic morphology of the white spots

圖9 白斑區(qū)表面低倍組織Fig.9 The surface macroscopic structure of the white spots

圖10 白斑中夾雜物表面形貌及化學(xué)成分Fig.10 The surface morphology and the components of the inclusions in the white spots

綜上所述，該異常腐蝕白斑區(qū)橫截面和表面高倍組織致密、無(wú)孔洞和裂紋，雖存在離散分布的富Ca和富Mg氧化物顆粒，但未見(jiàn)夾雜物聚集，因此基本確定該白斑缺陷非“臟”白斑，為“干凈”白斑[9-11]。

3.5 缺陷處理

根據(jù)文獻(xiàn)[9-10，12]可知，GH4169合金中白斑對(duì)室溫和高溫拉伸性能影響不大，但對(duì)疲勞性能存在較大影響。經(jīng)本文靜強(qiáng)度評(píng)估結(jié)果可知，該零件白斑區(qū)部位最大等效應(yīng)力約為704 MPa，滿足靜強(qiáng)度要求。再分別采用材料修正方法(根據(jù)GH4169G合金正常數(shù)據(jù)與相關(guān)文獻(xiàn)[10，12]提供的相近材料相應(yīng)性能數(shù)據(jù)，外推得到GH4169G合金白斑區(qū)力學(xué)性能數(shù)據(jù))和應(yīng)力修正方法(將白斑區(qū)應(yīng)力提高30%后結(jié)合正常材料數(shù)據(jù)估算零件低循環(huán)疲勞壽命)進(jìn)行低循環(huán)疲勞壽命評(píng)估，發(fā)現(xiàn)零件白斑區(qū)部位最大等效應(yīng)力均小于GH4169G合金的屈服強(qiáng)度，因此帶白斑缺陷零件的低循環(huán)疲勞壽命可滿足要求。帶白斑缺陷的螺栓孔部位經(jīng)兩種修正方法得到的疲勞壽命相當(dāng)(約2 200個(gè)循環(huán))，但與無(wú)缺陷的螺栓孔相比疲勞壽命下降了約40%。

綜合上述強(qiáng)度類比評(píng)估可知，該帶白斑缺陷零件滿足基本要求。建議該批GH4169G合金零件讓步投入后續(xù)工序；試驗(yàn)過(guò)程中加強(qiáng)監(jiān)控，試驗(yàn)后分解過(guò)程加強(qiáng)檢查。

最終階段性試驗(yàn)結(jié)果表明，帶白斑缺陷零件完成了階段性試驗(yàn)任務(wù)，分解檢查也未發(fā)現(xiàn)由此導(dǎo)致的損傷。

4 結(jié)論

針對(duì)生產(chǎn)中GH4169G合金零件低倍全面腐蝕時(shí)出現(xiàn)的異常腐蝕區(qū)，采用光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡及能量散射譜，對(duì)正常區(qū)域和異常腐蝕區(qū)的宏觀、微觀組織形貌和化學(xué)成分進(jìn)行了對(duì)比分析，得出以下主要結(jié)論：

(1)該零件的異常腐蝕混晶區(qū)為白斑缺陷，平均晶粒度約5級(jí)，與零件正常組織(平均晶粒度約12級(jí))的平均晶粒度偏差超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1.5級(jí)。白斑區(qū)長(zhǎng)度(約14.5 mm)超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)最大長(zhǎng)度規(guī)定。但該白斑區(qū)高倍組織致密，無(wú)孔洞和裂紋等，且未見(jiàn)夾雜物聚集，由此確定為“干凈”白斑。

(2)該帶白斑缺陷零件的靜強(qiáng)度和低循環(huán)疲勞壽命滿足階段性試驗(yàn)任務(wù)要求，且階段性試驗(yàn)后分解檢查未發(fā)現(xiàn)異常。

(3)本研究在工程上可對(duì)GH4169G等高溫合金白斑缺陷的分析和處理提供參考，但仍需根據(jù)所分析零件的溫度、受力等工況進(jìn)行詳細(xì)分析。