［摘要］ 研究了不同熱處理制度對GH742高溫合金組織和力學性能的影響。結(jié)果表明，調(diào)整固溶處理制度可明顯改變晶粒度和γ′形態(tài)。控制固溶處理溫度，使γ′相不完全溶解，可以阻止晶粒長大，而這種粗大γ′相和時效過程中形成的細小γ′相共存的組織具有良好的綜合性能。時效處理可以改變γ′相的數(shù)量和分布，時效溫度越低，時間越長，則γ′相數(shù)量越多，尺寸越小，使合金的強度上升，塑性降低。
關鍵詞 GH742高溫合金 熱處理 顯微組織 力學性能
Effects of Heat Treatment on Microstructure and
Mechanical Properties of GH742 Superalloy
Long Zhengdong Deng Qun Lin Ping Ma Peili Zhuang Jingyun Zhong Zengyong
Central Iron & Steel Research Institute,Beijing
［Abstract］ The effects of heat treatment on microstructure and mechanical properties of GH742 superalloy were studied in this paper.It shows that the morphology of γ′ phase and grain size can be changed obviously by changing the annealing heat treatment,the excellent comprehensive properties are obtained by controlling the annealing temperature to get a smaller grain size and coexistence of big size and small size of γ′ phase.The distribution and amount of γ′ phase are also changed by controlling the aging time and temperature.The lower the aging temperature and longer the aging time is,the more the amount of γ′ phase is.These changes make the alloy have higher strength and lower ductility.
Keywords GH742 superalloy heat treatment microstructure mechanical property
GH742是一種γ′相強化的Ni基高溫合金。由于它含有大量形成γ′相的Ti，Al，Nb等元素，因此合金中的強化相γ′高達35wt%，再加上 W、Mo、V等元素的強化作用，使得GH742合金具有非常好的高溫性能。正是這種優(yōu)異的性能使其廣泛應用于550～800℃溫度范圍和高應力下工作的渦輪盤、壓氣機盤、軸、承力環(huán)、緊固件和其它零部件，特別是廣泛應用于高性能飛機發(fā)動機和中遠程巡航導彈動力裝置中的關鍵零部件。
眾所周知，合金的組織和性能具有密切的關系，而熱處理明顯地改變組織和性能，特別是對以γ′相強化的GH742高溫合金。因此研究熱處理制度對合金性能的影響一直是合金研究的一個重要方面。目前對GH742合金熱處理方面的研究報道很少。本文進行了熱處理對GH742合金組織和性能影響的研究。
1 試驗方案
試驗用的材料是經(jīng)VIM+VAR雙真空冶煉隨后熱變形至φ16mm圓棒，機加工成標準試樣進行力學性能測試，測試值均為兩次測試的平均值。采用光學顯微鏡和電子顯微鏡進行組織觀察。表1給出了合金的成分。表2給出了試驗所采取的熱處理制度。
表1 合金的化學成分
Table 1 Chemical composition of GH742 alloy(wt%)
| C |
Cr |
Al |
Ti |
Nb |
Mo |
Co |
Ni |
| 0.047 |
14.7 |
2.51 |
2.47 |
2.6 |
5 |
9.5 |
余量 |
|
表2 試驗所采取的熱處理制度
Table 2 The heat treatments of GH742 alloy |
| 編號 |
熱處理制度 |
| 1 |
1120℃×8h,AC+850℃×6h,AC+780℃×16h，AC |
| 2 |
1150℃×8h,AC+850℃×6h,AC |
| 3 |
1150℃×8h,AC+850℃×6h,AC+780℃×16h，AC |
| 4 |
1150℃×8h,AC+1050℃×4h,AC+850℃×8h，AC
+730℃×32h,AC |
| 5 |
1080℃×8h,AC+850℃×6h,AC+780℃×16h，AC |
| 6 |
1080℃×8h,AC+780℃×16h,AC |
| 7 |
1080℃×8h,AC+780℃×3h,AC |
| 8 |
1080℃×8h,AC+780℃×16h,AC+700℃×16h，AC | 2 試驗結(jié)果及分析
2.1 熱處理制度對合金力學性能、γ′相含量及γ′相大小的影響
表3給出了不同熱處理制度下的合金力學性能、γ′相含量及γ′大小。從中可以看出，合金的力學性能、γ′相含量及γ′相大小隨熱處理制度的改變而呈現(xiàn)較大的變化。
表3 不同熱處理制度下的合金力學性能、
γ′相含量及γ′相大小
Table 3 The properties of the alloy and the amount and
size of γ′ phase at different heat treatments
| 編號 |
σb
/MPa |
σ0.2
/MPa |
δ
/% |
ψ
/% |
γ′量
/wt% |
γ′尺寸
/nm |
| 1 |
1425 |
955 |
22.0 |
27.0 |
33.71 |
60.1 |
| 2 |
1365 |
818 |
25.0 |
27.5 |
31.47 |
78.1 |
| 3 |
1383 |
845 |
21.1 |
26.5 |
33.28 |
| 4 |
1405 |
920 |
22.3 |
26.5 |
35.31 |
| 5 |
1438 |
1018 |
26.0 |
41.0 |
| 6 |
1460 |
1043 |
24.5 |
38.0 |
33.51 |
| 7 |
1445 |
1025 |
24.5 |
29.5 |
| 8 |
1468 |
993 |
21.3 |
30.0 |
35.49 |
60.9 | 2.2 固溶處理對合金組織和力學性能的影響
圖1給出了相同的時效處理制度而不同的固溶處理制度下合金強度和塑性的變化規(guī)律。圖中的三種熱處理制度分別為5＃，1＃和3＃，從中可以看出，隨著固溶處理溫度的降低，合金的強度和塑性都有明顯的提高。
圖2給出了三種不同固溶處理溫度下(5＃，1＃，3＃)的組織，從中可以看出，隨著固溶溫度的提高，合金的晶粒尺寸增大，特別是當固溶溫度由1080℃提高到1120℃時，晶粒度有十分明顯的增大，晶粒度由ASTM3到ASTM7。當固溶溫度由1120℃(1＃)提高到1150℃(3＃)時，γ′相無十分明顯的區(qū)別，都是呈現(xiàn)大小均勻一致的分布，但采用1080℃固溶處理時(5＃)，形成了大小兩種尺寸的γ′相，其中小尺寸的γ′相在尺寸上與1＃和3＃也無明顯區(qū)別，它們是在時效過程中析出的。而大的γ′相是由于在固溶處理時原γ′相沒有完全溶解而遺留下來的。
圖1 固溶處理制度對合金強度和塑性的影響
Fig.1 The effects of heat treatments on strength and
ductility of GH742 alloy
合金的再結(jié)晶晶粒主要是在固溶處理過程中形成和長大的，一般溫度越高則形核長大的驅(qū)動力越大，因此晶粒越大。但這個過程是一個非常復雜的過程，受多種因素的影響，其中第二相就起著非常關鍵的作用，它們在晶內(nèi)阻礙位錯的滑移，而且釘扎在再結(jié)晶晶粒的晶界上，阻礙晶粒的進一步長大。對GH742合金而言，γ ′相完全溶解溫度為1100℃，因此當固溶處理溫度低于該溫度時，必定會有殘留的γ′相。圖2a中的大尺寸γ′相正是這種殘留的γ′相，也正是這種殘留的 γ′相阻止了晶粒的長大。
對于象GH742這樣以γ′相時效強化的高溫合金而言，傳統(tǒng)的固溶處理方法是將合金加熱至某一溫度使γ′相完全溶解，然后在時效過程中析出細小均勻的γ′相，不希望存在大尺寸的γ′相，但從圖1和圖2中可以得出這種大小尺寸γ′相共存的組織不但具有均勻細小的晶粒，而且具有強度高、塑性好的特點。因此這種大小γ′相共存的組織對該合金的性能、特別對提高合金的塑性是十分有利的。
圖2 相同時效處理制度而不同固溶處理溫度合金的組織變化
(a)固溶溫度為1080℃(5＃)；(b)固溶溫度為1120℃(1＃)；(c)固溶溫度為1150℃(3＃)；
Fig.2 The microstructures for different annealing treatments under the same aging treatment
(a)The annealing temperature is 1080℃；(b)The annealing temperature is 1120℃；
(c)The annealing temperature is 1150℃
2.3 時效處理對合金組織和性能的影響
象GH742這樣的Ni基高溫合金的時效過程主要是一個γ′相形核和長大的過程。時效溫度越低，平衡的γ′相含量越高，但γ′相的形核和長大的過程是一個熱力學過程，特別是γ′相的長大過程是主要由擴散控制的熱力學過程。因此當時效溫度很低時，平衡的γ′相含量很高，但γ′相的長大過程非常緩慢，其結(jié)果是形成大量細小的γ′相。
圖3給出了相同固溶處理溫度不同時效處理制度下(2＃，3＃，4＃)γ′相的形態(tài)及分布；圖4給出了這三種熱處理制度下γ′相含量及合金力學性能的變化。圖中的2＃，3＃和4＃的固溶溫度均是1150℃，但2＃只有850℃×6h的時效處理，3＃是在850℃×6h的時效處理的基礎上加上780℃×16h的時效處理，4＃是在加入1050℃×4h后進行850℃×8h及730℃×32h的時效處理。
從圖3中可以看出，2＃，3＃和4＃的γ′相含量逐漸增加。2＃和3＃中的γ′相細小均勻地分布，但3＃中的γ′相密度高于2＃和4＃中的γ′相，有大小兩種形態(tài)，其中大的γ′相很有可能是在1050℃時效處理時由于溫度較高而產(chǎn)生的，而細小的γ′相是在以后較低的溫度時效而時析出的。
從圖4中可以看出當固溶溫度確定以后，隨著時效溫度的降低和時間的延長，γ′相含量增加，合金強度上升，但塑性降低，如2＃和3＃。但4＃與3＃的塑性相差很小。顯然4＃的1050℃時效處理過程中，由于溫度較高而出現(xiàn)較大的γ′相，正是這種大尺寸的γ′相緩解了因γ′相增加而引起的合金塑性的降低。
圖3 不同時效處理制度下γ′相形態(tài)及分布 (a)2＃;(b)3＃;(c)4＃
Fig.3 The morphology and distribution of γ′ phase at different aging treatments
圖4 相同固溶處理溫度不同時效處理
制度下γ′相數(shù)量、大小及性能
Fig.4 The amount and size of γ′ phase and the
properties for the different aging treatments at
same annealing temperature
3 結(jié)論
(1)采用較低的固溶處理溫度使γ′相不完全溶解而形成大小γ′相共存的組織，可以阻止晶粒長大，提高合金的強度和塑性，這種與傳統(tǒng)高溫合金使γ′相完全溶解的固溶處理思路不同的方法對合金的性能尤其對改善合金的塑性具有重要的意義。
(2)降低時效溫度、增加時效時間，可以增加γ′相含量，提高合金強度和降低合金塑性。
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