Inconel 718概要：

Inconel 718是沉淀強化的鎳基高溫高強合金 Inconel 718在－253～700℃溫度范圍內(nèi)具有良好的綜合性能，650℃以下的屈服強度居變形高溫合金的首位，并具有良好的抗疲勞、抗輻射、抗氧化、耐腐蝕性能，以及良好的加工性能、焊接性能和長期組織穩(wěn)定性，能夠制造各種形狀復(fù)雜的零部件，在宇航、核能、石油工業(yè)中，在上述溫度范圍內(nèi)獲得了極為廣泛的應(yīng)用。

前言

Inconel718是鎳基高溫合金，具有良好的抗熱疲勞、抗氧化和冷、熱加工性能，并在650 ℃具有較高的強度和良好持久、疲勞性能[1-2]。被廣泛應(yīng)用于制作航空發(fā)動機的氣壓機盤、渦輪盤、機匣和葉片等高溫結(jié)構(gòu)部件。Inconel718高溫合金的熱處理方式主要由固溶處理和時效處理兩部分組成。經(jīng)固溶時效處理后析出體心立方γ"和面心立方γ'沉淀強化相。其中亞穩(wěn)相γ"(Ni?Nb)是主要強化相，γ'為輔助強化相(Ni?AlTi)。另外，δ相(Ni3Nb)為γ"相的平衡穩(wěn)定相，在一定條件下γ"會轉(zhuǎn)變?yōu)棣南?。采用不同的熱處理工藝可使合金獲得不同的組織結(jié)構(gòu)，且合金中γ',γ"和δ相具有不同的形態(tài)和體積分數(shù)[3-4]。因此使合金呈現(xiàn)不同的力學(xué)和蠕變性能等。目前，對該合金的時效研究主要為標準的“雙8時效”制度[5],而且多集中于對母材的熱處理相變和組織性能研究[6-8],對焊縫的時效組織變化規(guī)律研究很少。最近，美國通用電氣公司在某份研究報告中針對Inconel718高溫合金提出了"短時效"的熱處理制度[9],因此采用兩種時效制度進行對比研究，分析其對焊縫和母材的微觀組織、相組成和顯微硬度的影響規(guī)律，為Inconel718產(chǎn)品焊后熱處理提供依據(jù)。

1?試驗材料及工藝

Inconel718合金鑄錠經(jīng)開坯、鍛造成φ420 mm×200mm的鍛件。鑄錠的高溫擴散退火工藝為：1160 ℃/24 h+1190℃/72h。鍛件采用真空感應(yīng)+真空自耗的雙聯(lián)冶煉工藝，再經(jīng)等溫鍛造而成。初鍛溫度為1100℃,終鍛溫度為950 ℃。

合金的化學(xué)成分如表1所示。

采用線切割工藝從φ420 mm×200 mm的合金鍛件上直接切取若干規(guī)格為150 mm×80 mm×4 mm試件用于電子束焊接試驗。電子束焊接設(shè)備為K49-G150-CNC型高真空電子束焊機，焊接前試件裝夾結(jié)構(gòu)如圖1所示。焊接參數(shù)如表2所示。

焊接完成的試件分別采用兩種時效處理方案：

(1)?"雙8時效"制度：720℃±6℃并保溫8h,以(45～65)℃/h冷卻速度到620℃,并在620℃±6℃保溫8 h后空冷。

(2)?"短時效"制度：真空加熱到760℃±14 ℃并保溫5h,爐冷至649℃,在649℃±14 ℃保溫1 h,空冷至427 ℃以下。

采用上述制度處理的時效試樣經(jīng)研磨拋光，沿焊縫兩側(cè)對稱測量顯微硬度。然后腐蝕試樣在金相顯微鏡下觀察，腐蝕劑為：80% HCl+13% HF+7% HNO?。

電子束焊完成后，沿著垂直焊縫方向?qū)鍫钤嚰谐梢?guī)格為120 mm×32 mm×4 mm的若干試樣條，并按ASTM E8/E8M—2015a標準加工性能試樣，進行室溫力學(xué)性能檢測。

2試驗結(jié)果

2.1?兩種時效熱處理的母材金相組織

Inconel718合金經(jīng)兩種時效熱處理后的低倍組織如圖2所示。熱處理前后的基體晶粒尺寸接近且比較均勻，為10～20μm。采用“雙8時效”和“短時效”熱處理后的晶界平直。從圖2b和圖2c發(fā)現(xiàn)兩種時效處理后的晶內(nèi)都有細小的粒狀和針狀晶體析出。

2.2?兩種時效熱處理工藝的焊接區(qū)微觀組織經(jīng)過兩種不同時效熱處理后，Inconel718合金試件電子束焊縫、熱影響區(qū)附近的低倍組織照片如圖3和4所示。從圖3和圖4顯微組織照片發(fā)現(xiàn)，采用“雙8時效"和“短時效"熱處理后，熔合線附近晶體為短小的胞狀枝晶(圖3(Ⅱ)和圖4(Ⅱ)區(qū)),整個焊縫中心區(qū)都呈現(xiàn)清晰的定向生長的樹枝晶，主干細長而挺直，二次枝晶短而直，樹枝晶的生長方向與焊縫中心的溫度梯度垂直，一直生長到焊縫中心處相交，沒有等軸晶出現(xiàn)。而且，兩種時效熱處理后的焊縫上表面和下表面的枝晶相比，焊縫上半部分的枝晶都更加細長。

圖5為

圖5為不同時效熱處理后的焊縫中心區(qū)金相組織，兩種時效熱處理后的焊縫區(qū)均為樹枝晶，在枝晶主干兩側(cè)沿垂直枝晶中軸線方向析出短而直的二次晶。而且，“短時效”熱處理后樹枝晶和二次晶生長比較粗大，呈現(xiàn)魚骨狀結(jié)構(gòu)。

2.3?兩種時效制度熱處理焊接接頭的力學(xué)性能

2.3.1?時效熱處理后的室溫力學(xué)性能

表3中列出了兩種時效熱處理后焊接試件的室溫力學(xué)性能。“短時效”熱處理的焊接試樣強度略低于"雙8時效"的焊接試樣強度。兩種熱處理后的延伸率基本沒有明顯變化。

2.3.2?時效熱處理后的顯微硬度

顯微硬度是一種壓入硬度，反映被測物體對抗硬物體壓入的能力。在進行相分析過程中，通過測量顯微硬度來確定所觀察組織的種類和性質(zhì)。在電子束焊接過程中，焊縫金屬經(jīng)歷快速熔化和凝固過程，為鑄造組織狀態(tài)。遠離焊縫的金屬母材保持原有組織狀態(tài)不變，而靠近焊縫附近一定范圍的金屬受到焊縫處熱量輸入的影響，經(jīng)歷一個固態(tài)相變過程。雖然相變區(qū)內(nèi)組織形貌沒有明顯變化，但是由于相變導(dǎo)致晶界已經(jīng)出現(xiàn)較大間隙，對抗壓入的能力減弱，反映為顯微硬度下降。因此焊縫兩側(cè)顯微硬度變化，可以判斷出熱影響區(qū)的大小。熱影響區(qū)都是焊接接頭內(nèi)性能薄弱處，因此熱影響區(qū)大小對焊接接頭設(shè)計有重要意義。

Inconel718高溫合金電子束焊接頭顯微硬度的測量方法為，從焊縫中心到兩側(cè)間隔一定距離對稱打點檢測，直到硬度值基本無變化。圖6分別是兩種時效熱處理前后接頭兩側(cè)顯微硬度的變化趨勢曲線。

從圖6a可以發(fā)現(xiàn)未進行熱處理的顯微硬度從焊縫到母材逐漸增加。焊縫區(qū)的硬度最低為280 MPa左右，母材處的硬度最高為380～400 MPa。在焊縫和母材的中間存在一個約為1mm的硬度逐漸升高區(qū)域。說明熱影響區(qū)寬度約為1mm。經(jīng)過兩種時效熱處理后，焊縫到母材的顯微硬度均勻一致，基本保持在450～480 MPa左右，采用“雙8時效”熱處理接頭顯微硬度比“短時效”熱處理后的硬度略高20 MPa左右。

3?分析與討論

通過上述試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不論是采用"雙8時效"制度還是"短時效"熱處理工藝處理，Inconel 718合金母材中γ基體相中析出較多針狀和粒狀晶體，多分布在晶界附近。這些針狀相是富含Ni、Nb、Cr和Fe等元素的δ相[10]。在高溫時效過程中，Nb原子發(fā)生擴散并重新分布，促使γ"(Ni?Nb)相依附于γ'相形核析出并長大。隨著時間延長，γ"相數(shù)量逐漸增加，γ"(Ni?Nb)轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Ni?Nb)相，δ相起始于晶界，相互平行，并長大成粒狀和針狀形貌。

在進行電子束焊接時，熱源集中，焊縫金屬經(jīng)歷快速熔化和快速凝固過程，冷卻速度大，因此焊縫區(qū)出現(xiàn)鑄態(tài)組織特征，晶體為定向生長的枝晶形態(tài)10]。從圖3和圖4中可以看出，采用不同的時效熱處理工藝，接頭處熔池開始凝固時，都是在熔池邊緣的溫度梯度最大，同時此處為晶體形核提供了大量形核位，形核密度大，因此晶體生長速率小，從而形成胞狀樹枝晶。從熔池邊緣到中心的晶體形貌均為細長的樹枝晶與短而直的二次晶。這是由于從熔池邊緣到中心的溫度梯度逐漸減小，生長速度加快，形成方向性明顯的樹枝晶。隨著樹枝晶的生長析出，枝晶間的溶質(zhì)濃度增高，成分過冷逐漸增加，故在樹枝晶上橫向析出二次枝晶。由于熔池的冷卻速度較快，二次枝晶只能生長較短距離，最終形成主干細而長，橫向二次晶短而直的微觀組織形貌。

圖3a和圖4a呈現(xiàn)的金相組織顯示焊縫上半部分的枝晶相對焊縫下部的生長更加充分，且呈細長的晶體形貌。這是由于電子束焊是高能量密度的焊接方法，可使被焊金屬迅速熔化和蒸發(fā)形成焊縫。因此焊縫上部的金屬熔化并伴隨著液態(tài)金屬的蒸發(fā)，導(dǎo)致焊縫上半部分的合金元素?zé)龘p相對較多。而下半部分焊縫在上部金屬蒸氣的反作用下，金屬被排開，同時合金元素?zé)龘p蒸發(fā)受到一定抑制，有益合金元素Ti、Mo等燒損相對較少，細化晶粒作用加強，因此焊縫下部的晶粒相對細小。

圖5可以說明，熔池冷卻期間，枝晶兩側(cè)Cr和Fe元素富集。而δ相是富含Ni、Cr、Fe等元素的析出相，因此時效處理時促使δ相沿特定方向擇優(yōu)生長成針狀形態(tài)。"短時效"熱處理溫度為760℃高于“雙8時效”處理的720 ℃,從晶體動力學(xué)角度有利于晶體析出和長大，因此焊縫內(nèi)樹枝晶和二次晶體比"雙8時效"后焊縫區(qū)晶體更加粗大。

焊縫區(qū)金屬經(jīng)歷電子束焊接重新熔化，超過其固溶溫度(960 ℃),母材中原有的強化相γ"、γ'重新溶入γ奧氏體組織中，導(dǎo)致焊縫區(qū)的硬度最低。在近縫區(qū)固態(tài)金屬受焊縫熱量影響發(fā)生相變，晶界出現(xiàn)增寬和松動，遠離焊縫區(qū)影響逐漸減小。因此從焊縫到母材，顯微硬度逐漸增加。經(jīng)過時效熱處理后，強化相在焊縫和熱影響區(qū)都均勻析出，因而顯微硬度與母材一致。

"短時效"的溫度為760℃,有利于Al、Ti、Mo、Nb合金元素的析出，因而γ'(Ni?AITi)和γ"(Ni?Nb)強化相析出能力提高。但γ"是亞穩(wěn)定相，在高溫下容易轉(zhuǎn)變?yōu)棣南?，從?#34;相(Ni?Nb)到穩(wěn)定的δ相(Ni?Nb)為體心立方結(jié)構(gòu)到正交結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，隨著δ相長大，與基體失去共格界面，其晶格畸變強化作用減弱。另外，由于“短時效"的溫度比"雙8時效"溫度偏高，從γ"相轉(zhuǎn)變?yōu)棣南嗟木Ц駝輭拘?，故δ相的?shù)量相對增加，過多的δ相會消耗大量固溶強化元素，削弱了基體強度，導(dǎo)致試件的抗拉強度和屈服強度呈現(xiàn)下降趨勢，這與顯微硬度的變化規(guī)律是一致的。

4?結(jié)論

(1)?兩種時效熱處理后，母材基體中析出較多針狀和粒狀δ相，相互平行，并長大成粒狀和針狀形貌。

(2)?Inconel718合金電子束焊縫為鑄造組織特征，枝晶主干細長挺直。由于枝晶間的Cr、Fe元素出現(xiàn)成分過冷，導(dǎo)致二次晶為擇優(yōu)生長的δ析出相。

(3)由于"短時效”熱處理的溫度偏高，有利于γ"亞穩(wěn)定相向δ穩(wěn)定相轉(zhuǎn)變。隨著δ相數(shù)量增加和長大，共格界面消失，其晶格畸變強化作用減弱。同時，過多的δ相會消耗大量固溶強化元素，削弱了基體強度，導(dǎo)致焊件的抗拉強度、屈服強度性能和顯微硬度均呈現(xiàn)下降趨勢。斷面伸長率基本無變化。