GH4738簡介：?GH4738是Ni-Cr-Co是沉淀硬化型變形高溫合金，使用溫度在815℃以下。合金加入鈷、鉻和鉬元素進(jìn)行固溶強(qiáng)化，加入鋁、鈦元素形成γ’相，加入硼、鋯元素凈化和強(qiáng)化晶界。
合金在760℃~870℃具有較高的屈服強(qiáng)度和抗疲勞性能；在870℃以下的燃?xì)鉁u輪氣氛中具有較高的抗氧化性能和抗腐蝕性能；適用于制作渦輪盤，工作葉片、高溫緊固件、火焰筒、軸和渦輪機(jī)匣等零件。主要產(chǎn)品有冷軋帶和熱軋板材、管材、帶材、絲材、鍛件和螺栓緊固件等。

GH4738是γ'相沉淀強(qiáng)化型變形鎳基高溫合金，該合金的一個很大的特點是具有良好的強(qiáng)韌化匹配性[1~3]。近年來隨著先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)對材料需求的提高，GH4738合金開始作為航空發(fā)動機(jī)渦輪盤材料，為滿足航空渦輪盤的使用要求，在煙機(jī)用普通GH4738合金的基礎(chǔ)上對其成分、組織及性能進(jìn)行升級優(yōu)化，研制了航空發(fā)動機(jī)用優(yōu)質(zhì)GH4738合金。優(yōu)質(zhì)GH4738合金要求，保證足夠的持久和蠕變性能的前提下，要求更細(xì)更均勻的晶粒度(ASTM 6～9),更高的強(qiáng)度和更優(yōu)異的疲勞性能。固溶處理是控制優(yōu)質(zhì)GH4738合金組織和性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過改變固溶制度可以調(diào)節(jié)強(qiáng)化相含量、尺寸、分布以及晶粒度進(jìn)而調(diào)整其力學(xué)性能。本文研究了不同固溶溫度對原始組織狀態(tài)相同的GH4738合金組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律。

1實驗材料與方法

實驗所用的試樣全部取自鍛造后的盤件，其主要化學(xué)成分如表1所示。

研究了平均原始晶粒尺寸為14μm的優(yōu)質(zhì)GH4738合金在不同固溶溫度(1000℃、1010℃、1020℃、1030℃、1040℃)/4h處理后油淬，再845℃/4h/AC+760℃/16h/AC時效后，合金晶粒度和γ'相分布、室溫和535℃拉伸性能以及730℃/550MPa持久性能的變化規(guī)律。

采用光學(xué)金相顯微鏡對合金晶粒組織進(jìn)行觀察，場發(fā)射掃描電鏡對y'相進(jìn)行觀測，再利用Im-age pro plus,Photoshop等軟件對合金晶粒尺寸以及γ'相尺寸、數(shù)量和分布進(jìn)行統(tǒng)計。

2試驗結(jié)果及分析

2.1對晶粒尺寸的影響

圖1(a)所示為原始鍛態(tài)已完成動態(tài)再結(jié)晶的金相顯微組織，可知，經(jīng)過不同的溫度固溶4h后，除1040℃發(fā)生局部晶粒度略微長大外，其他溫度未發(fā)現(xiàn)明顯長大。圖1(g)中虛線圓圈內(nèi)標(biāo)出了1040℃合金局部晶粒長大圖，圖2顯示了不同溫度固溶4h后晶粒尺寸及一次γ'相含量的關(guān)系。由圖2可知，隨著固溶溫度的升高，優(yōu)質(zhì)GH4738合金晶粒尺寸在1030℃后有略微長大，而一次γ'相含量在1030℃之后也迅速減少。

從圖2以及圖3可知，晶粒尺寸與一次γ'相含量隨固溶溫度的變化是一致的，隨固溶溫度升高，一次γ'相更多地回溶于基體，其間距也越寬，使得一次γ'相含量降低，這其中包括晶界一次γ'相，從而減小了晶界一次γ'相對晶界的“釘扎”作用，最終導(dǎo)致晶粒長大。但整體上，相對傳統(tǒng)GH4738合金6來說，優(yōu)質(zhì)GH4738合金Al、Ti含量高(實驗用合金高達(dá)4.7%),合金晶粒開始長大的溫度升高，且合金晶粒尺寸在1040℃開始略微長大，此時一次γ'相含量還有8%左右。這與Rehrer等人的研究結(jié)果[3]相吻合。

2.2對一次γ'相的影響

圖3(a)為場發(fā)射掃描電鏡拍攝的優(yōu)質(zhì)GH4738合金原始鍛態(tài)γ'相形貌，原始鍛態(tài)組織中含三種不同尺寸的γ'相，是由于鍛造冷卻過程中，γ'相形成元素在基體中達(dá)到飽和而多次爆發(fā)形核及長大的原因，一次γ'相呈不規(guī)則的塊狀及邊緣呈鋸齒狀的球形，尺寸在150nm以上。經(jīng)過不同的溫度固溶后，γ'相回溶于基體，并在固溶冷卻及時效過程中長大，大部分呈均勻的球形，如圖3(b)~(f)所示。固溶溫度升高，一方面，γ'相回溶于基體越多，一次γ'相顆粒密度越小，面積百分含量越少，另一方面，合金Al、Ti含量一定時基體最終析出的γ'相含量是恒定的[4],因此溫度越高，在固溶冷卻過程中γ'相形核越多，從而在固溶冷卻及時效過程中一次和二次γ'相均發(fā)生長大，最終未溶解的一次γ'相尺寸越大，析出的二次γ'相數(shù)量越多。

圖4為不同固溶溫度保溫不同時間，再經(jīng)過時效處理后優(yōu)質(zhì)GH4738合金中一次γ'相含量變化。相同時間內(nèi)，隨固溶溫度的升高，一次γ'相含量迅速減少。在低于1040℃時，隨保溫時間從0.5h增加到4h過程中，一次γ'相仍在不斷向基體中回溶，基體中γ'相含量不斷減少；但從4h后，由于基體幾乎達(dá)到了對應(yīng)溫度下溶解γ'相的飽和度，一次γ'相含量基本恒定。而在1040℃,隨固溶時間延長，一次γ'相面積分?jǐn)?shù)變化很小，且有略微上升的趨勢。一定溫度下，一次γ'相溶解度飽和，處于動態(tài)平衡，一部分γ'溶解，另一部分γ'長大。

2.3?對力學(xué)性能的影響

優(yōu)質(zhì)GH4738合金力學(xué)性能隨溫度變化如圖5及圖6所示。由圖5(a)可知，室溫以及535℃抗拉及屈服強(qiáng)度隨固溶溫度變化趨勢相同，性能波動不大，但都在1030℃附近有拐點。而由圖5(b)可知，合金的塑性也很穩(wěn)定。

固溶溫度對優(yōu)質(zhì)GH4738合金持久性能的影響如圖6所示，低于1020℃,持久壽命隨溫度增長緩慢，從1020℃到1040℃,持久時間顯著增長。由圖6(b)可知持久斷后伸長率在1020℃之前變化比較平緩，在1020℃之后，塑性顯著下降。

固溶溫度對力學(xué)性能的影響與微觀組織是相對應(yīng)的，由2.1.1節(jié)及2.1.2節(jié)可知，隨著固溶溫度升高，晶界一次γ'相逐漸溶解而失去“釘扎”作用，直到1040℃,優(yōu)質(zhì)GH4738合金晶粒組織才局部輕微長大，根據(jù)Hall-Perch效應(yīng)[5],表現(xiàn)為合金拉伸強(qiáng)度在1040℃有所降低；另一方面，在晶粒未發(fā)生明顯長大的情況下，隨固溶溫度的升高，大量一次γ'相回溶，使得固溶冷卻析出的二次γ'相增多，二次γ'較小，合金主要以位錯切割γ'相強(qiáng)化機(jī)制為主，從而在1030℃之前合金強(qiáng)度隨固溶溫度升高而增加。但綜合來說，晶界強(qiáng)化對合金的貢獻(xiàn)比γ'相強(qiáng)化的貢獻(xiàn)更明顯。

高溫下，合金的晶界黏滯性增強(qiáng)加，在高應(yīng)力作用下，晶界擴(kuò)散能力高于晶內(nèi)，且晶界更易遷移和滑動。而隨固溶溫度升高，優(yōu)質(zhì)GH4738合金晶粒有細(xì)微長大，這些細(xì)微的長大對合金強(qiáng)度不會有太大的影響，但可以使合金晶界體積分?jǐn)?shù)大大減少，從而減小晶界的擴(kuò)散及滑移，使其持久壽命延長；而晶界體積分?jǐn)?shù)減少使得合金變形在晶界處的協(xié)調(diào)性變差，合金塑性降低[6]。

3結(jié)論

(1)?隨固溶溫度的升高，優(yōu)質(zhì)GH4738合金中一次γ'相含量逐漸減少，從而在固溶冷卻及時效過程中析出更多的細(xì)小二次γ'相，對合金起到更好的強(qiáng)化作用。

(2)在1040℃固溶時，優(yōu)質(zhì)GH4738大部分晶界一次γ'相溶解，導(dǎo)致局部晶粒長大，拉伸強(qiáng)度有所下降。

(3)高溫長時間作用下，晶粒尺寸變大，晶界面積減少，從滑移系開動到缺陷產(chǎn)生到合金斷裂需要更長時間，表現(xiàn)為合金持久壽命隨固溶溫度升高而延長；而晶界減少導(dǎo)致變形協(xié)調(diào)能力減弱，合金塑性隨固溶溫度升高而減弱，最終持久性能在1020℃出現(xiàn)拐點。