牛 静，张凡云，杨树林，王 蔓，赵 智，刘 晶

（1.中国航发沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司技术中心，沈阳 110044；2. 中国航发沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司军代表室，沈阳 110044）

牛 静

高级工程师，主要从事航空零件热处理工作。发表论文10余篇，授权专利5项，承担参与科研攻关20余项。

GH4169合金在650℃以下具有良好的抗热疲劳、氧化性能、较高的高温强度和良好的持久性能，被广泛应用于制造航空发动机、工业燃气轮机等高温结构部件[1-3]。GH4169合金由 γ基体、γ'、γ''、δ 相和碳化物[4-5]组成，合金的性能主要受 γ'、γ''、δ相的形态、分布及数量的影响，不同的加工工艺及热处理工艺对合金的晶粒度、强化相的沉淀或溶解、析出相的数量和颗粒尺寸甚至晶界状态均可产生影响[6-11]。

发动机某机匣组合件由GH4169和GH907两种合金焊接而成，该组合件主要受径向拉力作用，孔处受力最大，这就要求材料有较高的抗缺口敏感性，该组合件需要采用GH907时效制度进行时效，但是对于采用GH907时效制度对GH4169的力学性能和组织变化的影响，至今没有相关研究报道，而研究的内容多数围绕固溶温度对GH4169合金性能的影响[12-13]。本文通过采用两种时效制度对GH4169合金进行热处理，研究不同时效制度对GH4169合金组织和性能的影响，为组合件制造工序安排提供技术支持。

试验方法

本试验所用试验材料为GH4169热轧棒料。金相试样尺寸为φ20×10mm，力学性能试样则使用尺寸为φ20×65mm的棒料。将棒料在960℃±10℃，保温1h进行固溶处理，然后分别采用GH4169和GH907合金的时效制度进行处理。GH4169时效制度为720℃±10℃，保温8h，然后以55℃/h冷到620℃±10℃，保温8h，以下简称为720℃时效制度，GH907时效制度为775℃±10℃，保温12h，然后以55℃/h冷到620℃±10℃，保温8h，以下简称为775℃时效制度。热处理后将65mm棒料加工成标准拉伸和高温持久试棒，再进行组织和力学性能对比试验。力学性能包括GH4169合金在室温和650℃下的拉伸强度、塑性和在650℃条件下保温20min后进行690MPa强度下的高温持久性能。

试棒采用圆棒料在HLG-75型空气炉进行热处理，采用HB3000布氏硬度机进行硬度试验，采用AG-50、Z100电子拉力试验机进行室温和高温拉力试验，采用XD-100高温持久蠕变试验机进行持久性能试验，采用BX51M光学金相显微镜和XL-30FEG扫描电子显微镜进行晶粒度和显微组织观察分析，采用D/max2500Pc型衍射仪（Cu-Ka靶）进行X射线衍射测定相组成。

试验结果与讨论

1 时效制度对GH4169合金相组成的影响

图1为720℃时效制度处理后GH4169合金的X射线衍射图谱，图2为775℃时效制度处理后GH4169合金的X射线衍射图谱。

GH4169合金是一种时效硬化的Fe-Cr-Ni基变形高温合金，由γ基体、γ'、γ''、δ 和 NbC 相组成。从图 1和图2的X衍射相分析测试结果可以看出，在GH4169合金的X射线衍射图中没有独立的γ'、γ''相的衍射峰，不能定量分析 γ'、γ''相的含量，但GH4169合金无论是经775℃时效还是720℃时效，相组成一致为γ基体、γ'、γ''、δ和 NbC 相。而 δ相的衍射强度峰值很小，从D/max 2500Pc型衍射仪定量分析精度可以知道，尽管经两种时效处理后其δ相的含量均少于5%，但从放大的衍射锋值可以看出，经775℃较高温度时效处理后δ相含量略有增加。

2 时效制度对GH4169合金组织的影响

图3为GH4169合金经两种时效制度处理后的金相组织照片，图4为GH4169合金经两种时效制度处理后的扫描电镜形貌。奥氏体晶粒大小的影响是晶界影响的反映，因为晶界是位错运动的障碍，晶粒越小，晶界越长，位错运动所需要的应力便越大。从图3可以看出，经过两种时效制度处理的晶粒度均为10级以上，由于δ相的析出，抑制了奥氏体晶粒的长大，只有在奥氏体完全再结晶后的加热过程中，δ相发生回溶，奥氏体晶粒才能发生长大。

如图4所示，经720℃标准时效制度处理后，少量δ相以颗粒状沿晶界析出，大多呈不连续的短棒状，γ'、γ''相以细小的圆盘状分布在基体上；经775℃时效制度处理后，γ'、γ''相依然在基体上呈均匀分布，相有长大的趋势，δ相的析出数量也有所增加，成不连续短棒状沿着晶界或由晶界长向晶内。同时，晶内也有少量的颗粒状δ相析出。

3 时效制度对GH4169合金力学性能的影响

图1 720℃时效制度处理的X射线衍射图谱Fig.1 XRD spectrum of 720℃ aging treatment

图2 775℃时效制度处理的X射线衍射图谱Fig.2 XRD spectrum of 775℃ aging treatment

图3 GH4169合金不同时效处理后的金相组织Fig.3 Microstructures of GH4169 alloy after different aging heat treatment

图4 GH4169合金不同时效处理后的扫描电镜照片Fig.4 SEM images of GH4169 alloy after different aging heat treatment

表1 室温/高温力学性能测试结果

表1为时效制度对GH4169合金室温、高温力学性能的影响，表2为时效制度对GH4169合金光滑、缺口持久性能的影响，表3为时效制度对GH4169合金硬度的影响。从表1中可以看出，经775℃时效制度处理后，室温抗拉强度和屈服强度均有所降低，但延伸率和断面收缩率没有发生变化，650℃条件下的抗拉强度和屈服强度也有所降低，但延伸率和断面收缩率几乎没有发生变化。

从表2可以看出，经775℃时效温度处理的光滑持久性能比经720℃时效温度处理的光滑持久性能有所降低。经两种时效制度处理的缺口持久性能没有大的变化，且均远大于标准中光滑持久性能的最低要求（23h）。说明这两种时效制度对于GH4169合金均不存在缺口敏感性。

从表3可以看出，GH4169合金经775℃时效处理后的硬度比经720℃时效处理后的硬度低。

GH4169合金经720℃和775℃两种温度时效处理后，其显微组织均为γ基体、弥散的γ'和γ''相、颗粒或短棒状的δ相、少量NbC、TiN组成。γ''相为主要强化相，属体心四方有序结构，析出温度为650～950℃。GH4169合金的强度受γ''相尺寸与数量的影响，随时效温度的升高和时间的延长，γ''相在温度高于700℃时将向δ相转化；而且随时效温度的提高，γ''相尺寸增加，沉淀强化作用减弱。因此合金在经775℃时效制度处理后，抗拉强度和屈服强度均较低。

表2 持久断裂寿命测试结果

表3 硬度测试结果（HB）

δ相属正交结构，析出温度为700～1000℃，析出峰为900℃。在700～800℃时效时，δ相在晶界以颗粒状析出，随时效时间的延长，δ相呈棒状大量析出。δ相的析出有助于阻止晶内裂纹的扩展，同时由于δ相的析出消耗了基体合金元素Nb，使得析出区的周围出现了γ'、γ''相的贫化区，当出现裂纹时裂纹尖端产生的应力集中在γ'、γ''相贫化区释放，这样可以提高合金的缺口持久性能。但析出过量的δ相会消耗较多的Nb，对析出γ''相不利，因此，必须使γ''相和δ相合理匹配，以获得良好的综合性能。从表1至表2的性能数据可以反映出，时效温度在720℃提高到775℃时，抗拉强度和屈服强度有所降低，光滑持久和缺口持久性能基本没有变化，均不存在缺口敏感。

结论

（1）与GH4169时效处理相比，775℃时效处理使GH4169合金的δ相的析出量有所增加，γ'、γ''相略有长大，但合金的晶粒度没有发生变化，均为10级以上。

（2）使用775℃时效制度处理GH4169合金，力学性能有所降低，但不影响GH4169合金的缺口敏感，且力学性能均满足标准要求。

[1]杜金辉, 吕旭东, 邓群, 等.GH4169合金研制进展[J]. 中国材料进展,2012,31(12):12-15.

DU Jinhui, LÜ Xudong, DENG Qun, et al. Progress in GH4169 alloy development[J].Materials China, 2012,31(12):12-15.

[2]张尊礼, 史凤岭, 张凡云, 等. 热处理制度对GH4169冷轧叶片组织性能的影响[J]. 材料科学与工艺, 2013,21(4):26-31.

ZHANG Zunli, SHI Fengling, ZHANG Fanyun, et al. Effects of heat treatment on structure and mechanical properties of GH4169 cold rolling blade[J]. Materials Science and Technology, 2013,21(4):26-31.

[3]田世藩, 张国庆, 李周, 等.先进航空发动机涡轮盘合金及涡轮盘制造[J]. 航空材料学报, 2003,23(S):233-238.

TIAN Shifan, ZHANG Guoqing, LI Zhou, et al. The disk superalloys and disk manufacturing technologies for advanced aero engine[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2003,23(S):233-238.

[4]S U N D A R A R A M A N M,MUKHOPADHYAY P, BANERJEE S. Some aspects of the precipitation of metastable intermetallic phases in Inconel 718[J].Metallurgical & Materials Transactions A,1992,23:2015-2028.

[5]AZADIAN S, LIU Y W, WARREN R. Delta phase precipitation in Inconel 718[J].Materials Characterization, 2004,53:7-16.

[6]KUO C M, YANG Y T, BOR H Y, et al. Aging effects on the microstructure and creep behavior of Inconel 718 superalloy[J]. Materials Science and Engineering A, 2009,510-511:289-294.

[7]杨玉荣, 梁学锋, 蔡伯成, 等. δ相对GH4169合金高温持久性能的影响[J]. 航空材料学报, 1996,16(2):38-39.

YANG Yurong, LIANG Xuefeng, CAI Bocheng, et al. Effects of δ phase on stressrupture properties of GH4169 alloy[J]. Journal of Aeronautical Materials, 1996,16(2):38-39.

[8]蔡大勇, 张伟红, 刘文昌, 等.Inconel718合金中δ相溶解动力学及对缺口敏感性的影响[J]. 有色金属, 2003,55(1):3-5.

CAI Dayong, ZHANG Weihong, LIU Wenchang, et al. Dissolution kinetics of δ phase and effect on notch sensitivity of Inconel 718[J].Nonferrous Metals, 2003,55(1):3-5.

[9]DU J H, LÜ X D, DENG Q. Effect of heat treatment on microstructure and mechanical properties of GH4169 superalloy[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2014,43(8):1830-1834.

[10]YEH A C, LU K W, KUO C M, et al.Effect of serrated grain boundaries on the creep property of Inconel 718 superalloy[J]. Materials Science and Engineering A, 2011,530:525-529.

[11]孔永华, 李胡燕, 陈国胜, 等. 热处理工艺对GH4169合金蠕变性能的影响[J].稀有金属与硬质合金, 2014,42(1):52-56.

KONG Yonghua, LI Huyan, CHEN Guosheng, et al. Effects of different heat treatment on creeping property of GH4169 alloy[J]. Rare Metals and Cemented Carbides, 2014,42(1):52-56.

[12]孔永华, 李龙, 陈国胜, 等. 不同热处理工艺对GH4169合金组织及性能的影响[J]. 稀有金属材料与工程, 2010,39(S1):472-474.

KONG Yonghua, LI Long, CHEN Guosheng,et al. Effect of different heat treatments on microstructures and properties of GH4169 alloy[J]. Rare Metals and Cemented Carbides,2010,39(S1):472-474.

[13]王岩, 林琳, 邵文柱, 等. 固溶处理对GH4169合金组织与性能的影响[J]. 材料热处理学报, 2007,28(S):176-178.

WANG Yan, LIN Lin, SHAO Wenzhu,et al. Effect of solid-solution treatment on microstructure and performance of GH4169 superalloy[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment, 2007, 28(S):176-178.