镍基高温合金（GH4149 ）成分性能密度适用领域

GH4199合金是一种具有较高的高温强度、优良的抗氧化性能和一定的可焊接性能的时效硬化型镍基高温合金，是目前国内时效强化板材中使用温度最高的高温合金之一，可在 950 ℃下长期使用，主要用于制造发动机加力燃烧室隔热屏、可调喷口隔热屏等相关部件、具有很好的应用前景【12】。为使合金获得很好的强化效果，加入较多的 W、Mo、Cr进行固溶强化和较多的Al、Ti进行时效强化，同时微量的B、Mg 的加入也起到一定的晶界强化作用，因此该合金的综合强化较为充分，属于强度非常高的镍基高温合金。对于该合金而言，金属间化合物Y相（NiAlTi）为其主要强化相，强化相Y的数量、尺寸、分布对合金的力学性能有着重要的影响。近年来国外对该合金的研究主要集中在焊接和涂层方面2-51，而国内的相关研究则集中在电场处理工艺161、应变速率171、时效制度181以及碳元素含量101对该合金微观组织和性能方面的影响作用。赵宇新等人【10】从性能的角度出发对其固溶处理制度作了较为详细的研究，但并没有对其微观组织的演变过程作深入的研究，而合适的固溶处理制度能有效改善合金的晶粒度，使合金元素和析出相充分溶解进入固溶体，使其在冷却过程中调整沉淀相的析出颗粒大小、分布形态，强化基体组织，并直接影响其相关力学性能。因此本文对GH4199合金在不同热处理条件下的微观组织进行系统观察，研究固溶处理温度和时间对合金晶界状态和碳化物尺寸及分布形态的影响，探讨固溶处理工艺对其组织和硬度的影响，为优化现有固溶处理工艺、提高合金综合力学性能提供依据。

1试验材料与方法

试验所用材料为沈阳黎明航发集团提供的锻态GH4199合金，由抚顺钢厂采用真空感应加真空自耗双联工艺冶炼而成，其成分如表1所示。

将 26 mm的合金进行固溶处理，温度分别为1080、1120、1150及 1180 ℃；处理时间分别为 0.5、1、2、3和 5h，处理结束后立即空冷。清除试样表面的氧化皮，测定不同热处理温度条件下合金的布氏硬度，所用压头直径为 5 mm，载荷为 7350 N，加载时间为12s。金相试样机械抛光后进行电解腐蚀，电解腐蚀液为 50%HCl+50%CHOH，腐蚀电压为 4～6 V，时间5～10s，采用Neophot-21型光学显微镜观察其组织；用KYKY-2800型扫描电镜（SEM）分析合金组织中碳化物形貌及分布，同时在KevexLevel4型X 射线能谱仪（EDS）上进行碳化物成分分析；在D/max-B型 X射线衍射仪（XRD）上进行合金相组成分析；与此同时用JEM-2010透射电镜（TEM）观察热处理后合金的晶界形态特征。

2 试验结果与讨论

2.1 热处理工艺对合金硬度的影响

图 1为不同热处理温度下合金的布氏硬度随保温时间的变化情况。从图1看出，热处理开始阶段（0 ～0.5h），合金硬度从 395 HB迅速降低至 260 HB以下，热处理温度越高，硬度值下降越明显，在 1180 ℃时效0.5h后，合金的硬度仅为228HB。随着保温时间的延长，硬度值降低并最终也趋于稳定。但是随着热处理温度的不同，硬度值趋于稳定所需时间也不一样。热处理温度越低，所需时间就越长，趋于稳定时的合金硬度值就越高。热处理温度为1080℃时，保温时间超过 3 h硬度值才趋于稳定，其值约为 240 HB；而当热处理温度为1180℃时，保温时间约为0.5 h之后硬度值就趋于稳定，其值约为 220 HB。

2.2 热处理工艺对合金组织的影响

图 2为不同热处理工艺下合金的显微组织照片，可以看出，当热处理温度低于1120℃时，随着温度的升高、奥氏体晶粒尺寸变化不明显，约在10μm，如图2（a～d）所示；当温度达到1150℃时，奥氏体晶粒长大至15μm左右，如图2（e）所示；随着热处理温度的进一步增加到1180℃时，奥氏体晶粒长大速度明显加速：且随着保温时间的延长（由1h增加至5h），合金奥氏体晶粒明显粗化，其晶粒直径由20um长大至40um左右，同时还伴随着碳化物数量的明显减少以及部分碳化物颗粒的显著粗化，如图2（f.gsh）所示。该现象与文献【1】报道 y'相的溶解温度为1120℃较为吻合，通常情况下，当热处理温度低于Y 相完全溶解温度时，奥氏体晶粒组织不易长大，这与Y相和碳化物的钉扎作用有关；而当热处理温度高到足以完全溶解Y相时，奥氏体晶粒会发生迅速长大。这是因为随着热处理温度的提高，合金中的碳化物颗粒将遵循Ostwald熟化机制进行不同程度的长大，即部分小颗粒溶解并带之以部分大颗粒的长大；GH4199合金中众多的碳化物颗粒弥散分布于奥氏体基体，有效地钉扎住晶界，明显的抑制了奥氏体晶

粒长大；随着温度的升高和保温时间的延长，碳化物数量的减少以及部分碳化物颗粒尺寸的长大，其阻止晶界迁移的能力逐渐降低，奥氏体晶粒明显粗化。所以热处理温度越高，合金的晶粒尺寸越大。

图3为不同热处理工艺下合金组织中碳化物的形态及其能谱分析，可以看出，固溶态合金组织中的碳化物（相对于基体而言）富含W、Mo元素（图 3d所示），且随着保温时间的延长，碳化物逐渐溶解、粗化，碳化物形态也多以短棒状和椭圆形为主，如图3 （a、b）所示，当保温时间从1h增加至5h后，碳化物颗粒尺寸从2～3Hm增至4～5Hm；局部颗粒尺寸已超过10um以上；碳化物的分布也不均匀、大部分碳化物颗粒沿晶界呈链状分布，还有少量碳化物颗粒在晶内析出，其分布形态也不均匀。

通常高温合金中含有大量的Cr，因此较易形成MsC型碳化物；如果合金中含有少量的W、Mo.则析出的M型碳化物除包含Cr外，还应包含W，Mo，且随着合金中 W、Mo含量的增高，形成 M。C的倾向增大；当考虑 M&C形成倾向时，除了要考虑 W、Mo总量和 W、Mo间的当量关系外，还要考虑 W、Mo总量与Cr含量的关系。一般来说，当合金比Cr/（Cr+Mo +0.7W）≥0.76时，形成晶界M3C，当Cr/（Cr+Mo +0.7W）<0.76时，形成晶界M。CL121。在本实验条件下，合金元素的含量关系符合后者，即小于0.76时的情况，因此初步确定固溶态合金组织中碳化物应主要为 M&C型。结合图 2和图 3的分析可以得出GH4199合金在较低温度进行热处理时，奥氏体晶粒尺寸较小，相应的晶界碳化物尺寸也小，弥散分布于奥氏体基体上，此时的组织形态对合金高温强度及韧性有利；随着热处理温度的逐渐升高，晶界碳化物发生部分回溶和聚集长大，与此同时相应的奥氏体晶粒也随之长大，使得合金高温强度下降【13】。一般来说，小晶粒合金的晶界面多，热强性较低，塑性较好，而大晶粒合金热强性较好、塑性较低。

图 4为 GH4199合金固溶状态下 XRD相分析结果。可以看出，固溶态 GH4199合金组织主要由奥氏体基体和碳化物所组成，其中碳化物又以M&C型碳化物为主，并有部分的 MC和 MS C型碳化物，与能谱分析和文献【10】的研究结果吻合。

图 5所示为不同热处理条件下合金的晶界形貌特征。在热处理温度较低的情况下，合金的晶界平直、干净、无位错塞积、锯齿状晶界及晶界析出物出现，为典型的三叉晶界，如图 5（a）所示；随着热处理温度的逐渐升高，晶界开始出现弯曲，呈现出锯齿状特征、如图5（b）所示；当热处理温度进一步升高、晶界附近出现了大量的析出物，如图5（c）所示；而当热处理温度增大至1180℃，晶界处的析出物已完全球化为颗粒状，如图5（d）所示。在断裂过程中，平直晶界对滑移和裂纹的扩展有利，而晶界弯曲处对裂纹的扩展有阻碍作用。因而获得弯曲状，甚至锯齿状晶界、使晶界滑移和裂纹扩展受阻，有效的降低蠕变变形，有利于提高高温合金的瞬时性能；同时晶界弯曲还能阻碍晶界滑动以及楔形晶界裂纹的形成，阻止沿晶裂纹（空洞）的连接、大大延长断裂过程【14】。在本实验条件下，晶界在1120℃时出现锯齿状晶界，而当固溶温度达到1150℃时，晶界附近已出现析出物，因此该合金适宜的固溶温度应在1120℃附近。

3 结论

1）在1080～1180℃温度范围内进行固溶处理，随着热处理时间的延长，GH4199合金的硬度从 395 HB降低至 220 HB左右；温度为 1080 ℃时，达到稳定硬度值240HB明显高于1180℃时的硬度值220 HB；所需时间也明显高于后者；

2）在1080～1120℃范围内进行固溶处理时，热处理时间对奥氏体晶粒大小影响不大，均在10μm 左右；当固溶温度超过1120℃后晶粒迅速长大至15 Hm左右，随着热处理时间从1h增加至5h，晶粒明显粗化到40μm左右；

3）固溶态 GH4199合金组织中的碳化物主要是M&C型，并有部分的MC和MC型碳化物，随着固溶温度的升高及时间的延长，在晶界呈链状不均匀分布的碳化物逐渐溶解、粗化。