李强

(中国原子能科学研究院，北京 102413)

高温合金GH3230 是一种镍基变形高温合金，基体通过固溶合金元素得以强化，从而使这种材料的高温强度和热稳定性表现不俗。其在氧化和氮化环境条件下具有长期热稳定性，同时具有良好的成型和焊接性能。主要应用于航空航天、工业加热管路和化工耐热容器等耐高温环境[1,2]。

众多的合金元素使该合金具有优异的的使用性能。Cr 元素含有量约占总重量的22%～28%，在高温条件下使用时，由于大量Cr 元素氧化作用，在该合金的表面能形成一层致密的主要成分为Cr2O3保护层，且难以脱落。W 元素和Mo 元素也是该合金中不可或缺的成分，这两种元素的加入不仅可以提高该合金的抗蠕变性能，而且还可以增大合金的层错能，从而使位错滑移难以发生。另外，还有入少量的C 元素和B 元素，在高使用温度下二次碳化物和硼化物会在晶界处析出，其结果也可有效的阻碍位错的加剧[3,4]。

目前有关GH3230 的研究主要集中在微量元素C、La对合金组织和性能的影响方面[5-7]，以及高温热变形加工工艺对微观组织和性能的影响方面，而关于热处理方面的研究相对较少。GH3230 的热处理过程主要包括固溶处理和时效处理。由于固溶处理工艺对材料的力学性能影响较大，因此本文研究了不同固溶处理工艺对高温合金GH3230 材料的力学性能和微观组织的影响，以期为后续时效处理提供最佳的组织条件，为优化GH3230 热处理制度提供参考依据。

1 试验材料及方法

本研究中应用的GH3230 合金，其主要化学元素所占的质量比如表1 所示。实验时，首先采用真空感应熔炼加上电渣重熔二联工艺对实验用的GH3230 进行高温熔炼和浇注，随后对钢锭进行6～8h 的高温退火处理，然后再通过气锤将其锻造成棒材。待固溶处理的试样取自锻造棒材同一半径尺寸位置。采用线切割加工成φ10mm×80mm 的高温合金圆柱。在科晶KSL-1700X 箱式加热炉中进行固溶处理。固溶处理后将高温合金圆柱以车加工的方式制备出拉伸试样，拉伸试样严格按照GB/T 228.1-2010 的要求来制备，随后将制备好的拉伸试样于常温和高温下置于WAW-600F 电液伺服万能试验机中进行拉伸实验，以获得其在室温和高温下的力学性能分析。图1 示出了拉伸试样的具体尺寸和最终获得的试样实物。

图1 拉伸试样尺寸图和实物图

表1 GH3230 合金主要化学成分( %，质量分数)

将试样制备后剩余的材料，采用线切割机切割出小试样，再不同粒度等级的水砂纸上主次进行研磨和抛光后，对抛光面进行短时间的化学腐蚀，最终制得金相观察和能谱分析试样。试样横截面微观组织及晶粒尺寸通过Zeiss Axio Scope A1 型光学显微镜(OM)来进行观察和拍照，其微观形态与成分用配备有能谱仪的JSM-6510LA 型扫描电镜( SEM)通过分析来获得。

根据Pandat 软件计算得到GH3230 高温合金工艺相图如图2 所示。结合热力学计算得到的工艺相图和参考已有研究，确定试验采用的镍基高温合金GH3230 固溶处理工艺参数如表2 所示。

表2 固溶处理工艺方案

图2 GH3230 高温合金工艺相图

2 实验结果及分析

镍基高温合金GH3230 中的碳化物主要是MC、M6C和M23C6这3 种类型，不同类型的碳化物以及其在合金基体中分布状体、大小和形貌对合金的力学性能具有重大影响。碳化物尺寸越大，分布越不均匀，合金的力学性能越差，采取手段促使合金基体中的碳化物得以转变、离散、均布并小尺寸化是热处理的根本目的。

2.1 固溶热处理工艺对GH3230 力学性能的影响分析

表3 示出了不同固溶处理参数下GH3230 的室温力学性能，为了比较，在该表中也同时示出了锻造棒材未经固溶处理时的室温力学性能。从实验数据来看，与锻造后未经固溶热处理状态相比，高温合金经高温固溶处理后，其室温断裂强度有较显著的降低；固溶热处理时间一定时，固溶热处理温度升高，该合金的机械强度随之降低，但变形塑性改变较小；当固溶热处理温度一定时，随着固溶热处理时间的延长，该合金的机械强度下降，变形塑性有所提高。在固溶温度为1200℃，固溶时间为30min 条件下，合金可得到的综合力学性能最优。室温下的抗拉强度可以达到892Mpa，而室温下的屈服强度甚至超过了396MPa，室温下的断面收缩率以及断后伸长率也可以达到52%和48%。

表3 固溶处理工艺对GH3230 室温力学性能的影响

2.2 固溶处理工艺对GH3230 微观组织的影响

高温合金GH3230 锻造后未进行固溶处理的金相组织如图3 所示，从金相分析图中可以看出镍基高温合金GH3230 经过锻造后的组织晶粒大小不均匀，具有较多的孪晶，同时含有大量的第二相质点。图4 示出了锻造后未固溶处理时的扫描电镜和能谱分析结果，表明图中亮白的点状区域为碳化钨。由此可见，高温合金GH3230锻造后未进行固溶处理时，其基体中的碳化物主要为碳化钨，呈粗大不规则形态或网状分布，大量碳化钨的存在割裂了基体的整体性，此时尽管材料具有较高的抗拉强度，但其屈服强度不高，因而其综合力学性能也不足够好，材料的性能难以得到良好发挥。1200℃、30min 固溶热处理后镍基高温合金GH3230 棒材的金相组织照片如图5 所示，与未经固溶处理的组织相比，金相组织中的黑色斑点明显减少，这说明，通过固溶热处理，大量碳化物会地溶解到合金基体中，从而起到了固溶强化的作用。同时在照片中也可以看出基体中的孪晶数量也明显增多。这正是合金综合力学性能能得到改善的根本原因。图6 示出了锻造棒材经1200℃、30min 固溶处理后的扫描电镜照片和能谱分析结果。经过固溶处理后，基体中的大颗粒碳化物转变为M23C6 型碳化物，细小的呈链状和细小颗粒状的主要是碳化铬和碳化钨，与未经固溶处理的组织相比，基体中的碳化物数量和尺寸都明显变小，由此可见，固溶处理，不仅能改变碳化物的形貌，而且也能促进碳化物的类型转变，这也进一步说明，通过合适的固溶处理工艺可以提高镍基高温合金GH3230 的综合力学性能，改善合金的显微组织。

图3 锻造后未进行固溶处理的金相组织

图4 锻造后未固溶处理时的扫描电镜和能谱分析图

图5 1200℃、30min 固溶热处理后的金相照片

3 结论

通过研究，表明固溶热处理工艺可以对对镍基高温合金GH3230 的力学性能和显微组织造成影响，采用合适的固溶热处理工艺可以充分发挥材料的性能，扩大合金的使用领域。固溶处理前其合金锻造组织中存在许多大尺寸的合金碳化物；经适当的固溶热处理后，合金基体中溶解的碳化物数量增多，从而使该合金棒材的韧性得以提高而强度有所降低。