GH4169合金組織對持久性能的影響

文／鄧瑞剛，薛強，廖毅·陜西宏遠航空鍛造有限責(zé)任公司

王建國·西北工業(yè)大學(xué)

利用金相及SEM分析了相同工藝制備的外形結(jié)構(gòu)類似GH4169合金壓氣機盤鍛件的持久試樣組織，結(jié)果表明：①晶粒尺寸顯著影響GH4169合金的持久性能，尺寸增大可以有效提高持久壽命；②相近晶粒尺寸條件下，一定范圍內(nèi)δ相含量越高持久性能越好。

GH4169合金是一種以面心立方奧氏體為基，以γ"相[Ni3(Nb，Al，Ti)]為主要強化相并輔以γ'相[Ni3(Al，Ti)]強化的鎳基高溫合金，在650℃以下具有較高的強度及塑性，良好的持久性能，是目前高溫合金領(lǐng)域發(fā)展最成功、用途最廣泛的合金，廣泛用于航空航天領(lǐng)域，特別在先進航空發(fā)動機的壓氣機盤和渦輪盤零件上是最主要的材料之一。近年來，我國在發(fā)動機鍛件研制過程中多次出現(xiàn)GH4169合金壓氣機盤鍛件持久性能不達標現(xiàn)象，本文以液壓機成形的盤鍛件為研究對象，分析了組織對持久性能的影響規(guī)律。

試料狀態(tài)

研究用試料均為國外GH4169棒料于1010℃兩火次鐓餅+1000℃油壓機模鍛制備的壓氣機盤鍛件，其中編號11、12、13試樣取自持久性能不合格（見表1）的盤鍛件，編號21、22、23試樣取自持久性能合格（見表1）的盤鍛件，兩件盤鍛件結(jié)構(gòu)尺寸相似，鍛件制備過程中加熱溫度相同，變形量相當。

表1 試樣編號及持久性能

結(jié)果與分析

圖1 不同試樣的金相組織

表2 不同試樣的晶粒尺寸

圖1為不同試樣的金相照片，經(jīng)過晶粒統(tǒng)計得到不同試樣的晶粒尺寸如表2所示。可以看出該批鍛件的整體晶粒度較細，均在ASTM10級以上，與圖2前期持久性能較好（晶粒度ASTM10級，持久67h）鍛件的組織相比較細，這應(yīng)該是本批鍛件整體持久性能較低的一個主要原因。試樣23持久性能相對較好，與其他試樣相比最大的特征也是其晶粒尺寸稍稍較大，因為在高溫狀態(tài)下，晶界是薄弱環(huán)節(jié)，晶粒尺寸增大，晶界面積減少，持久斷裂擴展的通道就減少了，從而提高了持久性能。

圖2 持久性能較好盤件組織

圖3為其試樣在1k倍下的掃描照片，從圖中可以看出各試樣的δ相的含量與分布情況，并對不同試樣的δ相的含量進行了統(tǒng)計如表3所示。可以看出，合格盤鍛件的δ相的含量普遍偏高，δ相的減少會對盤件的性能有一定的影響。

δ相（Ni3Nb）不是GH4169合金的強化相，其析出會消耗部分的γ"相形成元素Nb，降低材料的強度，提高材料的塑韌性，若析出過多或以針狀析出也會對塑性不利，且影響合金的持久性能，但δ相對提高晶界強度有重要作用，均勻分布的球狀和短棒狀δ相有助于細化晶粒、釋放晶界周圍的應(yīng)力集中，平衡晶界強度。因此對GH4169合金而言，δ相與γ"相存在交互作用，兩者共同決定合金力學(xué)性能，δ相含量存在一最佳的范圍。楊玉榮等人曾以國產(chǎn)材料為研究對象，在其實驗中發(fā)現(xiàn)5%左右的δ相對持久壽命貢獻最大，但本批國外材料鍛件直至12%的δ相含量仍表現(xiàn)為有益于持久壽命，試樣22與不合格盤件組織晶粒度相當，持久壽命明顯高于編號為11、12、13的試樣，持久性能的差異主要是受δ相差異的影響。

圖3 不同試樣的δ相分布

表3 不同試樣的δ相含量

圖4為試樣在30k倍下的掃描照片，可以看出各個標號下的γ"相均勻分布，在尺寸、含量及形態(tài)上并沒有較大的差別，因此初步判斷γ"相對盤件在持久性能上的影響并不大。

圖4 不同試樣的γ"相分布

結(jié)論

⑴GH4169合金鍛件的晶粒度顯著影響其持久性能，晶粒尺寸增大可以有效提高持久性能；

⑵相近晶粒尺寸條件下，一定范圍內(nèi)δ相含量越高持久性能越好。