长期高温时效对标准热处理GH4169镍基高温合金δ相析出及综合力学性能的影响研究——以航空领域常用GH4169镍基高温合金为研究载体，采用真空冶炼锻造轧制及标准热处理工艺制备实验试样

在镍基体中添加铬、钼、铌等元素的GH4169镍基高温合金具有优异的高温强度、抗氧化性和耐腐蚀性，得到了广泛的应用[1~3]。

目前关于 GH4169 镍基高温合金时效的研究，主要集中在时效温度对析出相和性能的影响等方面。陶天成等[4] 研究表明，对GH4169镍基高温合金进行标准热处理后再在650 ℃长期时效，其硬度随着时效时间的延长先提高后降低。在时效初期硬度提高的主要原因是析出了细小的强化相，而时效后期硬度的降低则与析出相长大粗化以及γ''相转变为δ相有关。合金的抗拉强度和屈服强度的变化规律与硬度的变化规律相同，其塑性随着时效时间的延长而降低。郑欣等[5] 研究表明 ，“高温时效”后GH4169镍基高温合金的室温和高温强度呈下降趋势。其原因是，“高温时效”有利于析出δ相使合金中大量的固溶强化元素消耗，使主要强化相γ''中的Nb元素和γ''相的数量减少，导致合金的强度降低和塑性提高。Li等[6] 对钴基高温合金进行长期等温时效发现，高稳定性的MC型碳化物和γ'相共同影响热等静压镍基粉末高温合金的屈服强度，其中γ'相的贡献最大。此外，具有多模式尺寸分布的γ'相有助于改善该合金的拉伸性能。Le等[7] 将Inconel 718合金在900 ℃老化不同时长后发现，粗大的γ''相与基体之间的共格性的丧失使合金硬度不能显著提高。900 ℃/4 h 时效处理，使合金的硬度只比固溶态高37.06HV。本文对经过标准热处理后的 GH4169 镍基高温合金在900 ℃进行长期时效处理，研究高温时效对其性能的影响。

1、实验方法

1.1实验用GH4169镍基高温合金的制备

用真空感应炉冶炼和真空电弧重熔制备实验用GH4169镍基高温合金。将铸锭均匀化扩散退火后进行锻造轧制(热轧)开坯，坯料的直径为50mm。GH4169镍基高温合金的化学成分(质量分数，%)为C 0.08,Cr 19.00,Ni 52.00,Co 1.01,Mo 3.10,Al 0.50,Ti0.87,Nb5.20,Si0.34,Mn0.36,其余为Fe。

用SX-G12123马弗炉对热轧后的GH4169镍基高温合金分别进行标准热处理工艺和长期时效热处理。热处理方案如图1所示。

1.2性能表征

用线切割从不同热处理后的GH4169镍基高温合金坯料截取金相试样，其尺寸为10mmx10mmx 10mm。将金相试样用400#、800#、1000#、1200#和1500#砂纸打磨和机械抛光，然后用腐蚀剂(10mL HCl+10mLH2O2+5mL C2H5OH)腐蚀。用Zeiss LSM700型光学显微镜观察试样的微观组织;采用TESCAN MIRA3型场发射扫描电镜(SEM)观察热处理后试样的显微组织，用SEM附带的Oxford X-MaxN型能谱仪(EDS)分析析出相特征;用SmartLab X射线衍射仪(XRD)测试试样的XRD谱。衍射仪扫描角度范围为10°~90°，扫描速率10(°)/min。用EPMA-1600型电子探针(EPMA)微量分析试样的成分。依据GB/T230.1-2018用FALCON500显微/宏观维氏硬度计测试试样的维氏硬度。测试硬度用的试样是打磨、抛光、腐蚀后的金相试样，其尺寸为10mm×10mm×10mm。在每个试样上各打12个硬度点，取其平均维氏硬度值。依据GB/T228.1-2010用ATM106型拉伸实验机进行室温拉伸实验，沿铸锭的轧制方向截取棒状拉伸试样，试样直径为5mm，标距为25mm，拉伸速率为1mm/min。对不同时效时长的试样重复2次实验，取其结果的平均值。用TESCAN MIRA3型SEM观察拉伸断裂后试样断口的形貌。依据GB/T229-2020进行冲击实验，沿轧制方向截取和制备V型缺口试样，其尺寸为55mm×10mm×10mm，测试9个试样取其结果的平均值。在JB-5型摆锤式冲击实验机上进行冲击实验，实验机的初始势能为480J，实验温度为20℃。测试不同时效时长的3组试样，取其结果的平均值。用SEM观察冲击试样的断口形貌。

2、结果和讨论

2.1 GH4169镍基高温合金的显微组织

图2给出了经不同热处理GH4169镍基高温合金的显微组织。图2a给出了标准热处理后试样的组织，可见其以奥氏体为主，在奥氏体晶界有析出相。图2b给出了时效500h后试样的组织，可见其基体仍为奥氏体，在基体上可见弥散分布的针状析出相，晶粒尺寸没有明显的变化;图2c给出了时效1134h后试样的组织，与时效时长500h的组织相比没有显著的变化。其原因是，标准热处理后再进行不同时长时效只是析出相的位置发生了变化[8-11]。

图3分别给出了标准热处理和时效不同时间GH4169镍基高温合金的XRD谱。可以看出，在谱中出现了明显的y(111)、y(200)、y(220)衍射峰;对不同时效时间试样的XRD谱的MDIjade软件分析结果表明，在y(111)与y(200)之间还出现了Ni3Nb(211)(即δ相)的衍射峰，y(111)衍射峰的强度最高;与长时间高温时效试样中的δ相弥散分布相比，标准热处理后试样中只有存在于晶界且含量较低的δ相，因此在图3中未出现8相的衍射峰。

图4给出了不同热处理试样中析出相的形貌。标准热处理试样中的析出相，有遍布于基体的y'、亚稳相y"相以及分布在晶界的δ相(图4a中蓝色箭头所指)和碳化物;在标准热处理后再进行900℃长时时效的试样，其基体中的亚稳相y"向8相转变图4b中的针状和短棒状析出相，是8相。随着时效时间延长到1134h，晶界上的δ相显著粗化。与图4b、c对比表明，短棒状δ相大多在晶界析出，而针状δ相大多在晶粒内。这表明，短棒状δ相变为针状δ相[14]。δ相与基体中y相之间的畸变应变能较大，为了降低变形应变能针状δ相在晶粒内沿特定方向延伸。

图5给出了在不同条件热处理后GH4169镍基高温合金试样的TEM照片。可以看出，随着时效时间延长到1134h，晶界上的δ相粗化并发生裂解[15]，如图4c黄色虚线框和图5c蓝色虚线框所示。图4c中晶粒内的针状δ相也出现裂解的趋势;使用图像处理软件Image-Pro Plus对图4中的析出相的统计分析结果，列于表1。与标准热处理的试样相比，高温长时间时效后的试样中δ相的含量提高且平均尺寸增加。时效时间继续延长则δ相的含量(体积分数)由时效500h时的14.2%提高到时效时间为1134 h时的15.1%，且其平均尺寸也随之增加。

表1 在不同条件热处理后试样中δ相的含量和尺寸

Table 1 δ-phase content and dimensions of specimens under different heat treatment conditions

图6a给出了标准热处理试样中的析出相的形态，EDS点扫结果列于表2。图6a中蓝色箭头所指的析出相确定为在晶界析出的粒状δ相，EDS结果表明基体内是y'+y"相。试样中δ相的析出温度范围为720~980℃，析出的峰值温度约为900℃，溶解的起始温度为980℃，到1020℃完全溶解[15,16]。图6b给出了时效处理500h试样中的析出相，主要是晶界上的棒状析出相和晶粒内的针状析出相。EDS分析确定针状析出相和晶界的析出相为δ相，点扫结果列于表2位置3;图6c给出了时效1134h试样中析出相的形态。可以看出，随着时效时间的增加晶界和晶粒内的析出相粗化、尺寸有所增加，特别是晶粒内的针状δ相。δ相的主要组成是Ni3Nb,还富集有Fe、Cr、Mo等元素。计算结果表明，这些金属元素的原子比都约为3:1[17]。

表2列出了在不同条件下热处理合金试样基体和δ析出相的成分，其中序号1,3,5分别为标准热处理、长期时效试样中δ相的成分，序号2,4,6为无析出相处成分，如图6a~c中所示序号。与不同热处理试样不同位置的EDS结果对比，可见在无析出相处Nb元素贫化。对于不同热处理的试样，热处理温度低于δ相析出峰值温度时Nb元素以γ"相的形式存在[18]。在高温时效的试样中，γ"相中的Nb元素转变到δ相中。结合表1可见，随着δ相含量的提高Nb随之显著贫化。

表2 在不同条件热处理后，GH4169镍基高温合金中δ相的成分及其两侧无析出处的成分

Table 2 δ-phase compositions and compositions of GH4169 nickel-based superalloy without precipitation on both sides of δ-phase under different heat treatment conditions

图7给出了不同时效时间的试样中析出相的EPMA结果。由图7a、b可见，试样中的主要析出相是δ(Ni3Nb),在晶界δ相的位置，δ相的尺寸越大Cr元素的贫化越显著。同时，如表3所示，在析出相两侧Nb元素贫化。

2.2 GH4169镍基高温合金的硬度

GH4169镍基高温合金的硬度列于表3。可以看出，标准热处理的GH4169镍基高温合金其硬度最高为497.44HV;时效热处理1134h的试样其平均硬度最低，为267.28HV。不同时长时效试样的平均硬度均低于标准热处理试样的硬度。时效500h的试样其平均硬度与时效1134h试样的平均硬度基本相同。试样硬度的降低可归因于其在高温长期时效过程中δ相的析出。标准热处理的试样中稳定的δ相随着时效的进行先在晶界析出，对晶界迁移的钉扎产生细晶强化;随着时效时间的延长δ相在晶内析出，主要是奥氏体晶粒内大量的γ"相发生相变;同时，虽然高温时效试样基体中的强化相γ与稳定相的非共格关系使转变所需的能量较大，但是较高的温度可使δ相在基体的γ相中析出[19]。弥散分布在晶粒内针状δ相的增加消耗了较多的强化相γ+γ"，最终使试样的硬度降低[20]。

表3 在不同条件热处理后GH4169镍基高温合金的力学性能

Table 3 Mechanical properties of GH4169 nickel-based superalloy under different heat treatment conditions

2.3 GH4169镍基高温合金的室温拉伸性能和断口形貌

3种不同热处理试样的室温拉伸性能列于表3。可以看出，标准热处理的GH4169镍基高温合金其屈服强度和抗拉强度都最高。由图4可见，标准热处理试样的基体主要是强化相γ+γ";在高温长期时效后的试样，其抗拉强度和屈服强度显著降低而断后延伸率显著提高。时效时间为500h的试样，其断后延伸率为35.5%。标准热处理试样的拉伸后断后延伸率为19.75%，塑性约提高80%。图8给出了不同热处理试样的室温拉伸应力-应变曲线。由图8可见，在弹性变形阶段曲线几乎重合，表明在此阶段不同热处理试样的弹性模量变化较小;从塑性变形阶段开始，高温时效试样中稳定相δ的含量开始提高而强化相γ+γ"减少，使屈服强度和抗拉强度降低而塑性提高。

图9a~c给出了标准热处理试样的典型拉伸断口形貌。图9a给出了试样的宏观断口形貌;图9b给出了启裂区的微观断口形貌。可以看出，断口中心区域的表面较为粗糙，圆形凹痕是等轴韧窝(图9b中红色虚线);图9c给出了扩展区的形貌，可见断口边缘区域较为平整，呈现“鱼鳞状”，韧窝浅小。图9d~f给出了时效500h试样的拉伸断口形貌，宏观形貌如图9d所示。可以看出，与标准热处理试样相比其断口较为平整;图9e给出了断口启裂区的形貌，可见断口上还有亮白色的撕裂棱。这些撕裂棱由细小的韧窝构成，有的则因沿针片状δ相开裂而形成光滑断面，为柳叶片状韧窝(图9e中的蓝色虚线框);图9f给出了断口扩展区的形貌，可见其由较浅的柳叶片状韧窝和较少的细小等轴韧窝组成，整体较为平整。图9g~i给出了时效1134h试样的拉伸断口形貌，宏观形貌如图9g所示。可以看出，与时效的500h试样相比断口整体较为平整;断口启裂区的形貌与图9e中的形貌相近，断口上出现亮白色的撕裂棱，为柳叶片状的韧窝和等轴韧窝(图9h中红色和蓝色虚线框);图9i给出了断口扩展区的形貌，与图9f中的形貌不同的是，时效1134h后虽然也出现了柳叶片状的亮白色撕裂棱，但是较小的柳叶片状韧窝的尺寸有所增加，因为遍布于基体中的δ相发生了粗化。

为了进一步确定长期高温时效试样的断裂特征，对时效1134h试样的拉伸断口形貌进行了EDS分析，面扫结果如图10所示。图10a给出了沿析出相开裂的亮白色撕裂棱SEM照片，图10b~d给出了Nb、Cr和Ni元素的分布。从图10a中蓝色虚线框区域对应的元素分布可见，在撕裂棱两侧出现Nb、Cr和Ni元素的贫化。结合表2和图7EPMA结果可以确定，断口启裂区中这种亮白色撕裂棱是沿着8相开裂形成的。

2.4 GH4169镍基高温合金的冲击韧性与断口形貌

3种不同热处理试样的冲击实验结果列于表3。可以看出，标准热处理试样的室温冲击吸收功为58.17J;时效500和1134h的试样其冲击吸收功平均值均为46.83J，都低于标准热处理GH4169镍基高温合金的冲击吸收功。Zhang等[21]的研究表明，随着δ相含量的提高冲击韧性降低，表3中的结果与其一致。

不同热处理条件的试样其典型冲击断口形貌如图11所示。图11a给出了标准热处理试样的冲击宏观断口形貌，可见主要由缺口附近的启裂区、裂纹扩展区以及两侧的剪切唇区组成，在图11a中分别用1,2,3表示。启裂区的断口形貌主要由较浅的韧窝组成，且在韧窝中出现了蛇形滑移花样，如图11b中红色虚线和绿色箭头标注所示。裂纹扩展区的韧窝比启裂区的韧窝浅，即面上的凹坑较浅(图11c)。剪切唇区的形貌与裂纹扩展区的相近，也出现了蛇形滑移花样(图11d中的绿色箭头所指);标准热处理试样的断裂为准解理断裂。图11e~h给出了时效500h试样的典型冲击断口形貌。图11f给出了启裂区的断口形貌，可见长条状韧窝较浅。针状的δ相存在使断口沿δ相开裂而形成光滑断面，与拉伸断口形貌相似出现柳叶片状韧窝。图11g给出了裂纹扩展区的断口形貌。可以看出，与启裂区相比，棱状撕裂产生的韧窝更细小，也有较浅的韧窝。剪切唇区的断口，由较浅的细小等轴韧窝和少量的条片状韧窝组成，如图11h所示。图11i~l给出了时效1134h的试样的典型冲击断口形貌。启裂区的断口形貌与时效500h试样的断口形貌相近，主要由较浅的棱状撕裂韧窝和解理断面组成，如图11j所示。裂纹扩展区的形貌与启裂区的形貌相似，但是韧窝更少且柳叶片状韧窝的尺寸比启裂区的更小，有良好的方向性(图11k)。图111给出了剪切唇区的形貌，也表现为棱状撕裂。

3、结论

(1)标准热处理的GH4169镍基高温合金基体是奥氏体(y相)，晶界有少量的短棒状δ相;长期高温时效后亚稳γ”相向δ相(Ni3Nb)转变，短时间时效后δ相含量激增，在晶界呈短棒状和在晶内呈针状抑制了晶粒的长大;长时间时效后δ相粗化、晶界裂解，晶内针状δ相沿特定方向延伸以降低应变能。

(2)标准热处理后这种合金的强度和硬度最高，但是塑性较低。高温长期时效使硬度和强度降低、塑性提高和冲击吸收功降低。

(3)标准热处理试样呈典型韧性断裂。长期时效后δ相的析出、分布及粗化影响合金的性能和断裂机制。

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（注，原文标题：高温时效对GH4169镍基高温合金性能的影响_郑建军）