田沛玉

摘 要：研究了不同原始晶粒组织对镍基高温合金GH738不同温度拉伸性能及持久性能的影响。分别利用光学金相显微镜（OM）和扫描电镜（SEM）对不同原始组织的合金晶粒组织、γ′相分布、拉伸和持久断口进行研究，同时测试不同温度拉伸强度和730℃/550MPa以及815℃/295MPa组合持久性能。结果表明：随实验温度提高，实验用GH738合金拉伸断裂方式由准解理断裂向穿晶韧性断裂最后到穿晶沿晶混合断裂转变；815℃以下，实验用合金细晶组强度和持久寿命最佳，815℃下，三组合金强度和持久寿命几乎相同，815℃接近实验用合金的等强温度。

关键词：GH738；断口；等强温度；γ′相；镍基高温合金

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.11.040

GH738合金（Waspaloy），是一种典型的γ′相析出强化型镍基高温合金。具有良好的强韧化匹配性、抗疲劳蠕变交互性和高温长时组织稳定性等特性，被广泛应用于石油化工、航空航天及各种热端部件[1-2]。国内该合金前期主要用于地面烟机涡轮盘及叶片、航空封严环及紧固件，近年来，经过一系列的工艺优化，发展出了满足航空发动机涡轮盘用的优质GH738合金[3]。

GH738合金因其应用领域不同，对其组织状态和性能要求也不尽相同[4]。涡轮盘用GH738合金需考察其强度和疲劳性能，兼顾一定的持久性能；而叶片用GH738合金主要考察其持久及蠕变性能；紧固件用GH738合金需考虑其缺口敏感性和应力松弛性能。不同的晶粒组织和γ′相的尺寸、含量及分布均对GH738合金性能产生很大的影响，本文主要研究三种不同原始晶粒状态（细晶、粗晶和混晶）的GH738合金经过相同条件热处理后其不同条件下力学性能变化规律，为合金在不同领域应用选材提供参考。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料

实验用材料取自锻态GH738合金棒材，主要成分见表1。原始显微组织如图1（a）～（f）所示。合金原始晶粒组织分为三组，如图1（a）～（c）所示，细晶组平均晶粒尺寸为24μm，混晶组约为30%粗晶（约118μm）和70%细晶（约18μm），粗晶组平均晶粒尺寸为66μm。三组晶粒组织合金对应的基体原始γ′相形貌如图1（d）～（f）所示，三组合金原始基体γ′相基本无差异，均存在三种尺寸γ′相，且三种尺寸γ′相均为边缘带锯齿的近似球形，大尺寸一次γ′相约300nm，二次γ′相在80nm左右，更小尺寸的三次γ′相在20nm左右。多种尺寸的γ′相是锻造及冷却过程中γ′相多次爆发形核及长大的结果[5]。

1.2 實验方法

三种不同晶粒组织的试样经过1020℃×4h×油冷+845℃×4h×空冷+760℃×16h×空冷处理后，分别观察晶粒组织、γ′相、不同温度拉伸和持久性能以及对应断口变化规律，拉伸和持久性能取双样以排除误差波动干扰。

2 实验结果及分析

2.1 热处理对显微组织的影响

经过相同制度的热处理之后，GH738合金晶粒尺寸如图2（a）～（f）所示，三组试样晶粒尺寸基本不变，基体中γ′相经过回溶和再析出后，有两种尺寸的γ′相，g?相为均匀球形，且三种原始晶粒尺寸的实验组中γ′相含量、尺寸和分布基本无差异，一次γ′相均匀分布于晶界和晶内，平均尺寸仍为300nm，二次γ′相平均尺寸为45nm，无更小尺寸的三次γ′相。

说明经过相同制度的热处理后，三组试样晶粒尺寸基本与锻态相同，三组之间析出相无明显差异，一次γ′相尺寸相对锻态基本无变化，二次γ′相尺寸减小，更小更密集的二次γ′相有利于提高合金拉伸强度、持久寿命和疲劳性能[6-7]。

2.2 原始晶粒组织对拉伸性能的影响

图3（a）和（b）分别为热处理后三组试样的室温拉伸、535℃拉伸及815℃拉伸性能。随着拉伸温度的升高，三组试样强度逐渐下降，815℃以下，三者强度顺序均为σ细晶>σ混晶>σ粗晶，因混晶组织中18μm细晶比例约占70%，所以在815℃以下，三组试样强度遵循Hall-Petch效应。而815℃拉伸抗拉强度和屈服强度三组几乎相同，此时，三者不再遵循Hall-Petch关系，初步断定815℃接近实验用GH738合金的等强温度。

图4（a）～（i）分别为热处理后三组试样的室温拉伸、535℃拉伸及815℃拉伸断口。可以看出，室温下三种组织拉伸试样断口均为准解理断口，细晶组准解理撕裂棱比较小，有大部分穿晶断裂；粗晶组织断口撕裂棱较多，但也有部分穿晶断裂现象；而混晶组织断口介于两者之间。室温下，三组拉伸试样断口与晶粒尺寸明显相关。535℃拉伸下，三组组织拉伸试样呈典型的穿晶断口形貌，但韧窝较细小，可以看到夹杂物断裂源。而815℃拉伸条件下，三组试样拉伸断口均为穿晶-沿晶混合断口，且韧窝均为等轴韧窝，粗晶断口上可以看到部分凸起的晶界。从断口结果可以说明，室温及535℃条件下，试验用GH738合金晶界强度高于晶内强度，拉伸以准解理或穿晶方式断裂，而815℃条件下，三者均以穿晶-沿晶混合方式断裂，证明此时晶界与晶内强度相当，该温度接近合金的等强温度。

2.3 原始晶粒组织对持久性能的影响

图5为三种组织实验合金730℃/550MPa、815℃/295MPa组合持久寿命结果，所测试的试样均断在光滑段，说明合金经过上述制度热处理后，无缺口敏感性。另外，730℃/550MPa条件下，持久寿命τ细晶>τ混晶>τ粗晶，而815℃条件下，三者持久寿命相当。

蠕变持久变形可通过多种机制产生，控制蠕变的形变机理因试验温度和应力的不同而不同[8]。低温大应力条件下，合金持久蠕变主要变形机制是晶内位错运动机制。由2.2节可知，低于815℃条件下，晶界强度高于晶内强度，因此，730℃条件下，合金变形机制主要为晶内位错运动机制。该条件下持久寿命受合金强度影响较大，随粗晶百分比含量的增大，合金强度降低，持久寿命也随之降低，从图3和图4结果可以看出730℃/550MPa持久寿命与室温及535℃拉伸强度变化趋势基本一致。

高温低应力条件下，合金持久蠕变主要变形机制是晶界滑动。此时，合金的持久寿命随粗晶百分比含量的增大而增加。而815℃接近实验用GH738合金的等强温度，此时合金晶界和晶内强度相当，因此合金持久蠕变变形机制受晶内位错运动和晶界滑动的影响程度相当，因此，815℃条件下，三组实验用合金拉伸强度和持久寿命均基本无差异。

3 结论

（1）随温度升高，实验用GH738合金拉伸断裂方式由室温拉伸的准解理断裂转变到535℃拉伸的穿晶韧断最后到815℃拉伸的穿晶-沿晶混合断裂。

（2）815℃接近实验用GH738合金的等强温度，该温度下，不同原始晶粒组织合金强度基本相同。815℃以下，合金晶粒组织与强度呈显著的Hall-Petch关系。

（3）低温高应力下，GH738合金蠕变持久变形机制表现为与细晶强化相一致的晶内位错运动机制；高温低应力下，其变形机制逐渐向晶界滑动转变。

参考文献：

[1]TongJ，VermeulenB.Thedescriptionofcyclicplasticityandviscoplasticityofwaspaloyusingunifiedconstitutiveequations[J].InternationalJournalofFatigue，2003（25）：413-420.

[2]董建新，丁利生，王振德.烟气轮机涡轮盘和叶片用WASPALOY合金研究[J].中国材料科技与设备，2006（02）：68-73.

[3]荣义，成磊，唐超等.固溶冷却介质对优质GH738合金组织及力学性能的影响[J].钢铁研究学报，2016，28（11）：74-78.

[4]姚志浩，董建新，张麦仓等.GH864合金显微组织与力学性能的关联性[J].稀有金属材料与工程，2010，39（09）：1565-1570.

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[8]C.Devadas.TheThermalandMetallurgicalStateofSteelStripduringHotRolling：Part3[J].MicrostructualEvolution.MetallurgicalTransactionsA，2006（22）：335-342.