对标锻件性能指标的增材制造GH4169热处理工艺试验：宽区间固溶温度调控析出相配比与晶粒尺寸，实现室温650℃高温拉伸及高温持久综合性能最优配比研究

GH4169具有优良的耐腐蚀性、良好的机械性能和焊接性能，被广泛应用于燃气轮机、涡轮叶片以及燃烧室部件。GH4169是一种Ni基沉淀强化型高温合金,含有多种合金元素，具有良好的综合性能，650℃以下的屈服强度居变形高温合金的首位，主要由基体、强化相和y'和8相和碳化物等组成[1]。相关研究表明[2],SLM成形GH4169合金中含有气孔和未熔合等缺陷[3-5],且横纵向存在差异，经过热等静压/热处理技术可以消除内部缺陷，已获得广泛应用。

1、实验材料及方法

文章采用激光选区熔化成形设备打印,成形幅面为250mmx250mm,所用为GH4169合金,粉末元素范围如表1所示。

实验用拉伸试棒尺寸为标准试样,按照《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》GB/T228.1和《金属材料拉伸试验第2部分:高温试验方法》GB/T 228.2进行。高温持久所实验按照《金属材料单轴拉伸蠕变试验方法》GB/T 20392024进行。

实验采用不同的热处理制度，研究不同固溶温度(HT1:980℃-1h-Ar,HT2:1100℃-1h-Ar,HT3:1150℃-1h-Ar,HT4:1200℃-1h-Ar)对增材制造成形GH4169的组织和性能的影响，时效采用GH4169标准时效热处理工艺，即720℃保温8h，炉冷至620℃保温8h。

表1 GH4169粉末化学成分(wt.%)

2、结果与分析

2.1金相组织

沉积态的金相组织,如图1所示,图1中组织为柱状晶,竖向可以看出层与层之间的熔池底部,沉积态组织较为致密。经过制度1热处理后，组织中原有的扫路径消失，仅可看到树枝晶，如图2所示。固溶温度升高后，与制度1相比，组织变为等轴晶，原有的枝晶组织消失,枝晶间的碳化物溶解,组织中仅可看见少量8相、y"和弥散分布的碳化物,如图3所示。高温固溶后,枝晶间的碳化物和富Nb脆性相更多的溶入固溶体中,并减轻了组织的偏析，合金成分更均匀，既强韧化了晶间组织,又增加了后续时效过程中析出y"的数量。制度3和制度4的金相组织，和制度2一致，同为等轴晶。

2.2力学性能

图4(a)、图4(b)分别为制度1~制度4的XY向和Z向室温拉伸性能,可以看出室温拉伸性能均高于锻件指标。

制度1~制度4的XY向650℃高温拉伸性能和Z向650℃高温拉伸性能，如图5所示，可以看出制度1的XY向高温延伸率不合格。与制度1相比，随着固溶温度的升高，强度降低，延伸率升高。制度2~制度4性能变化不大，但可以发现制度3的强塑性综合性能最优。

热处理会消除组织中的一些脆性相，有利于更多的Nb形成γ"/γ'强化相，晶界上会析出大量的\8相，消耗大量Nb,这会造成后续时效过程中y"/y强化相的减少,导致变形过程中位错运动阻力降低。塑性变形过程中强化相相对于位错运动的阻碍作用是其主要强化方式，故高温固溶后的GH4169强度相比于标准固溶时效态会有所降低，同时由于晶粒尺寸长大，细晶强化作用减弱，强度降低，延伸率升高，综合力学性能最优，金相组织致密无缺陷。

不同制度下的拉伸结果表明，经标准固溶时效后的GH4169的强度最高，由于980℃固溶和双时效后，组织在晶粒边界及晶粒内部均有δ相的形成，且有γ"和y析出。相比于制度1、制度2~制度4的组织中只在晶界处析出8相。同时,由于制度2~制度4的温度较高,虽然可以消除微观组织偏析，但高温会使得晶粒长大粗化，金相组织呈现等轴晶，因此强度降低、塑性升高。

图6(a)GH4169高温持久XY向性能,图6(b)为Z向持久性能，结果显示制度1的持久延伸率偏低，制度3持久延伸率最优，制度3实现了增材制造GH4169持久延伸率的突破。

3、结论

综上所述，与GH4169标准热处理工艺相比，随着固溶温度的升高，材料的强度降低，塑性升高。当固溶温度高于标准热处理的固溶温度时，增材制造成形GH4169的金相组织为等轴晶，拉伸性能和持久时间均高于锻件指标。当固溶温度分别为1100℃、1150℃、1200℃时，增材制造GH4169的金相组织和拉伸性能变化不大，持久时间均大于50h，持久延伸率均高于3%。当固溶温度为1150℃时，增材制造GH4169的综合力学性能最优，高温持久延伸率有极大地改善，实现了增材制造GH4169持久延伸率的突破。

参考文献

[1]齐欢.INCONEL718(GH4169)高温合金的发展与工艺[J].材料工程,2012(8):92-100.

[2]石磊，雷力明，王威，等.热等静压/热处理工艺对激光选区熔化成形GH4169合金微观组织与拉伸性能的影响[J].材料工程,2020,48(6):148-155.

[3]DENG D Y,PENG R L,BRODIN H,et al. Microstructure and mechanical properties of Inconel 718 processed by selective laser melting:sample orientation dependence and effects of post heat treatments[J].MaterialsScience and Engineering:A,2018,713:294-306.

[4]刘东,罗子健.GH4169合金热加工过程中的显微组织演化数学模型[J].中国有色金属学报,2003(5):1211-1218.

[5]邓晓阳.热处理对3D打印Inconel718合金组织和力学性能的影响研究[D].南昌:南昌航空大学,2017.

（注，原文标题：固溶温度对增材制造GH4169组织和性能的影响_黄敏）