GH4738简介： GH4738是Ni-Cr-Co是沉淀硬化型变形高温合金，使用温度在815℃以下。合金加入钴、铬和钼元素进行固溶强化，加入铝、钛元素形成γ’相，加入硼、锆元素净化和强化晶界。
合金在760℃~870℃具有较高的屈服强度和抗疲劳性能；在870℃以下的燃气涡轮气氛中具有较高的抗氧化性能和抗腐蚀性能；适用于制作涡轮盘，工作叶片、高温紧固件、火焰筒、轴和涡轮机匣等零件。主要产品有冷轧带和热轧板材、管材、带材、丝材、锻件和螺栓紧固件等。

GH4738是γ'相沉淀强化型变形镍基高温合金，该合金的一个很大的特点是具有良好的强韧化匹配性[1~3]。近年来随着先进航空发动机对材料需求的提高，GH4738合金开始作为航空发动机涡轮盘材料，为满足航空涡轮盘的使用要求，在烟机用普通GH4738合金的基础上对其成分、组织及性能进行升级优化，研制了航空发动机用优质GH4738合金。优质GH4738合金要求，保证足够的持久和蠕变性能的前提下，要求更细更均匀的晶粒度(ASTM 6～9),更高的强度和更优异的疲劳性能。固溶处理是控制优质GH4738合金组织和性能的关键环节，通过改变固溶制度可以调节强化相含量、尺寸、分布以及晶粒度进而调整其力学性能。本文研究了不同固溶温度对原始组织状态相同的GH4738合金组织和力学性能的影响规律。

1实验材料与方法

实验所用的试样全部取自锻造后的盘件，其主要化学成分如表1所示。

研究了平均原始晶粒尺寸为14μm的优质GH4738合金在不同固溶温度(1000℃、1010℃、1020℃、1030℃、1040℃)/4h处理后油淬，再845℃/4h/AC+760℃/16h/AC时效后，合金晶粒度和γ'相分布、室温和535℃拉伸性能以及730℃/550MPa持久性能的变化规律。

采用光学金相显微镜对合金晶粒组织进行观察，场发射扫描电镜对y'相进行观测，再利用Im-age pro plus,Photoshop等软件对合金晶粒尺寸以及γ'相尺寸、数量和分布进行统计。

2试验结果及分析

2.1对晶粒尺寸的影响

图1(a)所示为原始锻态已完成动态再结晶的金相显微组织，可知，经过不同的温度固溶4h后，除1040℃发生局部晶粒度略微长大外，其他温度未发现明显长大。图1(g)中虚线圆圈内标出了1040℃合金局部晶粒长大图，图2显示了不同温度固溶4h后晶粒尺寸及一次γ'相含量的关系。由图2可知，随着固溶温度的升高，优质GH4738合金晶粒尺寸在1030℃后有略微长大，而一次γ'相含量在1030℃之后也迅速减少。

从图2以及图3可知，晶粒尺寸与一次γ'相含量随固溶温度的变化是一致的，随固溶温度升高，一次γ'相更多地回溶于基体，其间距也越宽，使得一次γ'相含量降低，这其中包括晶界一次γ'相，从而减小了晶界一次γ'相对晶界的“钉扎”作用，最终导致晶粒长大。但整体上，相对传统GH4738合金6来说，优质GH4738合金Al、Ti含量高(实验用合金高达4.7%),合金晶粒开始长大的温度升高，且合金晶粒尺寸在1040℃开始略微长大，此时一次γ'相含量还有8%左右。这与Rehrer等人的研究结果[3]相吻合。

2.2对一次γ'相的影响

图3(a)为场发射扫描电镜拍摄的优质GH4738合金原始锻态γ'相形貌，原始锻态组织中含三种不同尺寸的γ'相，是由于锻造冷却过程中，γ'相形成元素在基体中达到饱和而多次爆发形核及长大的原因，一次γ'相呈不规则的块状及边缘呈锯齿状的球形，尺寸在150nm以上。经过不同的温度固溶后，γ'相回溶于基体，并在固溶冷却及时效过程中长大，大部分呈均匀的球形，如图3(b)~(f)所示。固溶温度升高，一方面，γ'相回溶于基体越多，一次γ'相颗粒密度越小，面积百分含量越少，另一方面，合金Al、Ti含量一定时基体最终析出的γ'相含量是恒定的[4],因此温度越高，在固溶冷却过程中γ'相形核越多，从而在固溶冷却及时效过程中一次和二次γ'相均发生长大，最终未溶解的一次γ'相尺寸越大，析出的二次γ'相数量越多。

图4为不同固溶温度保温不同时间，再经过时效处理后优质GH4738合金中一次γ'相含量变化。相同时间内，随固溶温度的升高，一次γ'相含量迅速减少。在低于1040℃时，随保温时间从0.5h增加到4h过程中，一次γ'相仍在不断向基体中回溶，基体中γ'相含量不断减少；但从4h后，由于基体几乎达到了对应温度下溶解γ'相的饱和度，一次γ'相含量基本恒定。而在1040℃,随固溶时间延长，一次γ'相面积分数变化很小，且有略微上升的趋势。一定温度下，一次γ'相溶解度饱和，处于动态平衡，一部分γ'溶解，另一部分γ'长大。

2.3 对力学性能的影响

优质GH4738合金力学性能随温度变化如图5及图6所示。由图5(a)可知，室温以及535℃抗拉及屈服强度随固溶温度变化趋势相同，性能波动不大，但都在1030℃附近有拐点。而由图5(b)可知，合金的塑性也很稳定。

固溶温度对优质GH4738合金持久性能的影响如图6所示，低于1020℃,持久寿命随温度增长缓慢，从1020℃到1040℃,持久时间显著增长。由图6(b)可知持久断后伸长率在1020℃之前变化比较平缓，在1020℃之后，塑性显著下降。

固溶温度对力学性能的影响与微观组织是相对应的，由2.1.1节及2.1.2节可知，随着固溶温度升高，晶界一次γ'相逐渐溶解而失去“钉扎”作用，直到1040℃,优质GH4738合金晶粒组织才局部轻微长大，根据Hall-Perch效应[5],表现为合金拉伸强度在1040℃有所降低；另一方面，在晶粒未发生明显长大的情况下，随固溶温度的升高，大量一次γ'相回溶，使得固溶冷却析出的二次γ'相增多，二次γ'较小，合金主要以位错切割γ'相强化机制为主，从而在1030℃之前合金强度随固溶温度升高而增加。但综合来说，晶界强化对合金的贡献比γ'相强化的贡献更明显。

高温下，合金的晶界黏滞性增强加，在高应力作用下，晶界扩散能力高于晶内，且晶界更易迁移和滑动。而随固溶温度升高，优质GH4738合金晶粒有细微长大，这些细微的长大对合金强度不会有太大的影响，但可以使合金晶界体积分数大大减少，从而减小晶界的扩散及滑移，使其持久寿命延长；而晶界体积分数减少使得合金变形在晶界处的协调性变差，合金塑性降低[6]。

3结论

(1) 随固溶温度的升高，优质GH4738合金中一次γ'相含量逐渐减少，从而在固溶冷却及时效过程中析出更多的细小二次γ'相，对合金起到更好的强化作用。

(2)在1040℃固溶时，优质GH4738大部分晶界一次γ'相溶解，导致局部晶粒长大，拉伸强度有所下降。

(3)高温长时间作用下，晶粒尺寸变大，晶界面积减少，从滑移系开动到缺陷产生到合金断裂需要更长时间，表现为合金持久寿命随固溶温度升高而延长；而晶界减少导致变形协调能力减弱，合金塑性随固溶温度升高而减弱，最终持久性能在1020℃出现拐点。