GH4169简介：

GH4169合金在-253～700℃温度范围内具有良好的综合性能，GH4169 650℃以下的屈服强度居变形高温合金的，并具有良好的耐辐射、耐氧化、耐腐蚀性能，以及良好的加工性能、焊接性能良好。能够制造形状复杂的零部件

GH4169该合金的另一特点是合金组织对热加工工艺特别敏感，GH4169掌握合金中相析出和溶解规律及组织与工艺、性能的相互关系，可针对不同的使用要求制定合理、可行的工艺规程，就能获得可满足不同强度级别和使用要求的零件。机匣等零部件长期使用。

GH4169 的化学成分:

GH4169物理性能：

GH4169特性：

GH4169是Ni-Cr-Fe基沉淀硬化型变形高温合金，长时使用温度范围-235°C～650°C,短时使用温度可达800°C。合金在650°C以下强度较高

，具有良好的抗疲劳﹑抗辐射﹑抗氧化和耐腐蚀性能，以及良好的加工性能﹑焊接性能和长期组织稳定性。

GH4169 应用：
合金已用于制作航空发动机、环件、机匣、轴、叶片、紧固件、弹性元件、燃气导管、密封元件和焊接结构件等；制作液氢、制作核能工业应

用的各种弹性元件和格架；制作石油和化工领域应用的多种零件。

摘要: 通过激光熔化同步输送的 GH4169 合金粉末，在锻态 GH4169 合金基板上沉积出薄壁试样，分析了 GH4169 合金的微观组织、 相组成，测试了拉伸性能。

结果表明，所制备试样的沉积层和界面组织致密、无缺陷; 激光沉积态组织为沿沉积高度方向生长的柱 状枝晶组织，沉积态组织经过直接时效( DA) 或固溶 + 时效( STA) 处理后，枝晶间 Laves 相含量基本没有变化，经过均匀化 + 固溶 + 时效( HSTA) 处理后，组织向等轴晶转变，Laves 相含量减少; 试样经过 STA 处理后，抗拉强度最高，达到锻态的 84． 5% ，断后伸长率 为锻态的 96． 7% ，原始沉积态试样断后伸长率最高，高于锻态 101． 7% 。

GH4169 合金是以 γ"和 γ＇为主要强化相的奥氏体 结构镍基高温合金［1］，其美国牌号为 Inconel 718，合金 在 － 253 ～ 650 ℃ 之间具有高的抗拉强度、屈服强度、 持久强度和塑性，同时具有良好的抗氧化、抗腐蚀、抗 辐照、热加工及焊接性能

［2］，是温度在 650 ℃以下强度 最高的高温合金之一，具有良好的综合性能，成为航空、 航天、核能、石油领域大量应用的关键材料

［3］，目前，已 成为产量最大、使用面最广的一种镍基变形合金。

GH4169 合金零件在制造和使用过程中会出现意 外，如果将受损零件直接做报废处理，无疑会提高成 本，于是，越来越多的人把目光集中到能够带来巨大经 济效益的修复技术上来。

激光熔化沉积( laser melting deposition，LMD) 修复技术结合了激光熔覆技术和快速成型技术的优势，所熔化沉积的组织致密、均匀、细 小，不存在导致常规铸态组织性能低下的宏观偏析、缩 松、组织粗大等缺陷［4］，适合修复高性能、难加工、价 格昂贵的零件，近年来得到了快速的发展和广泛的 应［5-8］。

［9］研究了激光熔化沉积 Inconel 718 合金的 工艺，得到保护气流量和载气流量对粉末焦距的影响 规律; Dinda 等

［10］研究了激光扫描方式对 Inconel 718 合金沉积层组织的影响，发现扫描速度对偏析、硬度无 影响，退火温度对硬度有影响，往复扫描会得到旋转立 方组织; Zhao Xiaoming 等

［11］研究发现采用等离子旋 转电极雾化粉得到的沉积组织比采用气雾化粉得到的 组织气孔少，沉积态组织经过热处理后，拉伸性能基本 达到锻件水平;

［12］研究了不同气氛下激光立 体成形 Inconel 718 的显微组织和力学性能，发现空气 条件下的成形件具有较高的抗拉和屈服强度，但是塑 性有所降低，Inconel 718 疲劳寿命随晶粒尺寸的减小 而增加; Liu Fencheng

［13-14］等研究了中间热处理温度对 激光沉积 Inconel 718 合金的显微组织和缺口敏感性的影响，发现当固溶温度高于 1020 ℃ 时，晶粒长大，δ 相消失; Qi H 等

［15］研究了标准热处理对激光近净成 形 Inconel 718 零件的显微组织和力学性能的影响，通 过控制工艺参数，可以基本消除沉积层中的孔隙。

目 前，对激光熔化沉积 GH4169 合金的研究主要集中在 成形工艺的优化以及热处理制度对沉积材料的性能影 响方面，本文通过激光熔化沉积的方法，在锻态基体上 沉积出 GH4169 合金薄壁试样，模拟破损零件的激光 熔化沉积修复过程，并着重对不同热处理状态下试样 的显微组织和拉伸性能进行分析。

1 试验材料与方法

激光熔化沉积修复用 GH4169 合金粉末采用等离 子旋转电极雾化工艺制备，粉末粒度为 － 90 ～ + 400 目，粉末和基体的主要化学成分见表 1。

试验前将合 金粉置于烘箱内在 130 ℃下烘干 3 h，以去除粉末中的 水汽。基体材料采用 5 mm 厚 GH4169 锻态合金板，为 模拟破损零件的修复过程，预先对基体进行标准热处 理( 固溶 + 时效) ，在沉积前用砂纸打磨基体并用丙酮 擦拭干净。

激光熔化沉积修复试验在配有 5 kW CO2 横流激 光器和气氛保护箱的系统内进行。

激光束选用焦长为 200 mm 的铜反射聚焦镜聚焦，光斑直径约为 3 mm; 配有三轴联动数控工作台的气氛保护箱具备循环净化 功能，可将氧含量控制在 0． 001% 以下; 送粉采用 GTV 高精度双路送粉器同轴送粉，送粉载气和保护气为氩 气。

激光熔化沉积修复工艺参数为: 激光功率 1500 W， 扫描速度3 mm/ s，送粉速率 3． 4 g/min，激光头每层提升 量为0． 3 mm，载气流量 5 L/min，氧含量 ＜ 0． 001%，采用 单道往复扫描方式沉积，最终制备出图 1( a) 所示薄壁 试样。沉积结束后立即将试样置于箱式电阻炉中，进 行 500 ℃保温 30 min 空冷的去应力退火处理，然后对 试样分别进行表 2 所示的热处理。

采用电火花线加工沿沉积高度方向切取沉积材料 制成显微组织试样，沿沉积高度方向切取拉伸试样，尺 寸如图 1( b) 所示。

采用 Axiovert 200 MAT 光学显微 镜( OM) 及 JSM-6510 扫描电镜( SEM) 观察显微组织 和断口形貌，显微组织试样用不同粒度砂纸打磨直至 2000 号，然后进行机械抛光，抛光后再进行腐蚀，所用 腐蚀剂为 10 mL CH3CH2OH + 10 mL HCl + 5 g CuSO4，

腐蚀时间为 5 ～ 10 s。

拉伸试样表面依次用 320、500、 800、1200 号砂纸打磨，以去除表面的切割痕迹.

在 Instron 拉伸试验机上进行室温拉伸试验，试样标距取 20 mm，加载速率为 2 mm /min。

2 试验结果与分析 

2． 1 热处理对基体组织的影响

图 2 和图 3 分别为基体经过不同热处理后在光学显微镜和扫描电镜下的显微组织照片。

对图 3( a) 中 晶界上的不规则长条状相( 图 3 中箭头 1 所示) 进行 EDS 分析，结果见表 3，根据其各元素含量可判定为

图 3 中的颗粒状相为 MC 碳化物，MC 相在 合金凝固过程中析出，其溶解温度约为 1250 ℃

［16］，本 试验的热处理温度低于其溶解温度，所以 MC 不会消 失。MC 碳化物呈圆形和方形，如图 3( d) 中箭头 2、3 所指，对不同形状的 MC 相进行 EDS 分析发现，圆形 MC 相富含 Nb 元素，而方形 MC 相富含 Ti 元素。

由于基体已经过一次 STA 处理，晶界上析出 δ 相，如图 3( a) 所示，可以钉扎晶界，其 DA 和 STA 处理 的温度低于 δ 相的完全溶解温度，在 δ 相溶解以前，晶 粒不会明显长大，如图 2( a) ～ ( c) 所示。

HSTA 处理后，基体发生静态再结晶，从图 3( d) 中可以看到晶界 上只有少量 Laves 相，δ 相完全消失，失去 δ 相对晶界 的钉扎，晶粒长大，如图 2( d) 所示。

DA 处 理 后，基体中会析出更多的 γ" 相 和 γ' 相［17］，但是其他相的含量及形态无明显影响，如图 3 ( b) 所示。

图 3( c) 为基体经过两次 STA 的组织，可以 发现晶界的Laves 相及 δ 相基本无变化，但是晶界内 部开始析出针状 δ 相，这是因为 860 ～ 995 ℃是 δ 相的 析出峰温度区间［18］，980 ℃ 的固溶温度使 δ 相大量析 出。

δ 相虽然不是强化相，但对高温合金的力学性能 具有重要影响。

如果高温合金中无 δ 相或有极少量的 δ 相，将使材料具有缺口敏感性; 若 δ 相过多，因占有 了 Nb 元素，减少了 γ"相的析出数量，将导致材料强度 降低，塑性提高，同时，δ 相多，晶粒细，晶界总量增加， 薄弱环节增多，因 δ 相不是强化相，会降低高温合金的 持久性能、蠕变性能和冲击性能［19］。

2． 2 热处理对界面的影响

由 4 所示为不同热处理制度下沉积界面的显微组 织。

由图 4( a) 可知，基体与沉积层的界面致密无缺 陷，达到良好的冶金结合，激光熔化沉积形成的柱状枝 晶根据基体晶粒取向的不同而沿不同的方向生长，但 均大致沿沉积方向外延生长，这是由温度梯度的方向 决定的。

AD、DA 和 STA 三种试样的沉积区与基体之 间有明显的界面，如图 4( a) ～ ( c) 所示; HSTA 试样由 于发生了静态再结晶，沉积层中的柱状枝晶向等轴晶 转变，界面开始变得模糊，如图 4( d) 所示。

图 5 为 AD 状态下试样界面区域的 SEM 照片，从 图 5 中可以看到，界面处靠近基体一侧的组织为形状 不规则的近等轴晶组织，晶粒大小与远离界面处基体 组织相近，晶界 δ 相消失，一直到距离界面约 0． 3 mm 处，晶界 δ 相出现，呈现完整的锻态基体组织，如图 3 

( a) 所示，这说明在多层熔化沉积过程中，对 δ 相的热 影响区深度约为 0． 3 mm。

在这一热影响区中，MC 的 数量和形态未发生明显变化。据文献报道［16］，1250 ℃ 时，MC 开始溶解。可以推测，基体在被反复加热的过 程中，热影响区的最高温度超过合金的静态再晶温 度 1030 ℃，热影响区基体将发生静态再结晶，这也解 释了这一区域晶粒形态发生改变的原因。

2． 3 热处理对沉积组织的影响

图 6 所示为不同热处理状态沉积层的 OM 组织照 片。由图 6( a) 可以看到，原始沉积态组织为柱状枝 晶，不同枝晶之间有小角度的夹角; DA 试样组织没有 明显变化; STA 试样柱状晶晶界开始扩展，逐渐向等轴 晶转变; HSTA 试样组织发生了静态再结晶，枝晶组织 形态变的模糊，柱状晶晶界扩展、合并，形成新的晶粒 并开始长大。

Laves 相是脆性相，会降低材料断裂强度和塑性，对 合金的性能不利［17］。

图 7 为沉积层组织的 SEM 照片， 枝晶间的白色不规则组织为

Laves 相。

由图 7( a) ～ ( c) 可以看到，Laves 相的含量和形态基本没有变化， 图 7( d) 中 Laves 相含量明显减少，说明经过 1100 ℃ × 1 h 均匀化处理以后，一部分 Laves 相回熔，同时，枝 晶干区域缩小，枝晶间区域扩大。

另外，由图 8 可以发 现，经过 STA 处理后，Laves 相周围析出大量针状 δ

相，在沉积材料进行固溶处理时，对阻止晶界的迁移、

合并以及晶粒的长大有钉扎作用［20］。

3 激光熔化沉积修复 GH4169 合金拉伸 沿沉积高度方向进行拉伸的界面拉伸试样均断在 沉积材料一侧，且基体的变形很小，其抗拉强度和断后 伸长率实际上体现的是沉积材料的抗拉强度和断后伸 长率。

不同热处理状态试样的抗拉强度和断后伸长率 如图 9 所示，由图 9 可知，对于抗拉强度，STA ＞ DA ＞ HSTA ＞ AD，经过 STA 处理后试样的抗拉强度较 AD 态提高了 37． 2% ，AD 态抗拉强度达到铸态强度的 91． 2% ，其他 3 种状态的强度均高于铸态，其中 AD 态 和 STA 态 的 强 度 接 近，STA 态的强度达到锻态的 84.5% 。

对于断后伸长率，其大小顺序与强度相反，为 STA ＜ DA ＜ HSTA ＜ AD，4 种状态的断后伸长率均高于 铸态。AD、DA 和 HSTA 状态的断后伸长率高于锻态， 其中 AD 态高于锻态 101． 7% ，STA 态的断后伸长率与 锻态相当，达到锻态的 96． 7% 。

DA 态抗拉强度较 AD 态有大幅度提高，这是因为 在激光熔化沉积的快冷过程中被抑制析出的 γ" 相和

γ＇相，在时效过程中大量析出，使材料的强度增加。

γ" 相和 γ＇相是主要的强化相，其强化作用大于 Laves 相 和 MC 相，Laves 相和 MC 相所在部位就成为材料的薄 弱环节。

激光熔化沉积过程中，难熔金属元素 Nb 和 Mo 会向枝晶间偏析，导致枝晶间析出 Laves 相［21］。

Laves 相是脆性相，对材料的拉伸、疲劳和蠕变性能均 不利［22-23］，Laves 相的形成消耗了用于形成强化相 γ" 相的 Nb 元素，容易成为裂纹萌生和扩展源，低的激光 能量输入和高的冷却速度会抑制 Laves 相析出［15］，进 而可以提高材料的性能。

由图 8 可以看到，STA 处理后沉积材料组织中析 出了大量的针状 δ 相，富 Nb 的 δ 相的析出将占用一 图 9 不同热处理制度下试样的拉伸性能 部分 Nb 元素，但是，STA 处理后材料的抗拉强度最 高，说明基体中存在大量的 γ" 相和 γ＇相，因此用于形 成 δ 相的 Nb 元素很可能来自 Laves 相。

沉积材料经 过 STA 处理后，Nb 元素经历了从 Laves 相向枝晶干部 分的扩散，在临近 Laves 相的部位，Nb 元素依然具有 较高的浓度，使得 δ 相可以析出。

由图 6( d) 、图 7( d)

可知，HSTA 试样中晶粒长大，Laves 相数量有所减少，

再结晶形成的高角度晶界变长、变直，会导致裂纹扩展 和缺口脆性［15］，这可能是导致合金强度下降的原因。

4 种状态下拉伸试样的断裂方式均为穿晶断裂， AD 态和 STA 态拉伸试样的断口形貌图如图 10 所示。

经过不同热处理后，拉伸断口均发现韧窝，进一步放大 拉伸断口可见韧窝内有颗粒状组织，经 EDS 分析为 Laves 相。Laves 相由于塑性较低，在载荷作用下，容易 成为断裂源。由于 STA 处理后，晶界和晶间析出了大量 δ 相，在阻止晶粒长大的同时，也会加速裂纹的发源和 扩展，这可能是 STA 处理后断后伸长率最低的原因。

4 结论 

(1) 激光熔化沉积修复 GH4169 合金试样的沉积 层组织致密、无缺陷，沉积层与基体之间实现冶金结 合，基体一侧距界面 0． 3 mm 区域发生了再结晶。

(2) 对经标准热处理的锻态基体再次进行热处理，

发现 DA 和 STA 试样晶粒大小变化不明显，HSTA 处 理试样晶粒长大，δ 相消失，Laves 相含量减少。

(3) 激光熔化沉积修复后的沉积层组织为沿沉积高 度方向的柱状枝晶，枝晶间析出 Laves 相，沉积层组织 经过 DA 和 STA 处理后 Laves 相含量基本没有变化; 经 过 STA 处理后，Laves 相周围析出大量 δ 相; 经过 HSTA

处理后，组织向等轴晶转变，Laves 相含量减少。

(4) 不同热处理状态下 GH4169 合金试样的抗拉 强度大小顺序为 STA ＞ DA ＞ HSTA ＞ AD，经过 STA 处 理后，试样的抗拉强度较 AD 态提高了 37． 2% ，AD 态 抗拉强度达到铸态强度的 91． 2% ，其他三种状态的强 度均 高 于 铸 态，其 中 STA 态的强度达到锻态的 84． 5% 。

(5) 断后伸长率的大小顺序与抗拉强度相反，为

STA ＜ DA ＜ HSTA ＜ AD，4 种状态下的断后伸长率均高 于铸态。

AD、DA 和 HSTA 状态的断后伸长率高于锻 态，其中 AD 态高于锻态 101． 7% ，STA 态的断后伸长 率与锻态相当，达到锻态的 96． 7% 。

断口有大量韧 窝，为韧性断裂。激光熔化沉积修复的 GH4169 合金 具有良好的塑性，但是强度指标有待进一步提高。