GH169合金高温长期时效后的组织性能变化

　　　　钢铁研究学报

JOURNALOFIRONANDSTEELRESEARCH

Vol.10,No.2　Apr.1998

GH169合金高温长期时效后的组织性能变化

邓　群　　庄景云　　杜金辉

HighTemperatureDegradationofAlloyGH169

afterLong-TimeAging

DengQun　　ZhuangJingyun　　DuJinhui

摘　要　对GH169合金进行了600℃、1000h和650℃、6000h的长期时效。600℃时效1000h后,合金的组织、性能未见明显变化;在650℃时效至6000h后,合

″″″金组织发生变化:󰀁相粗化、大量󰀁相转化成󰀁相、晶界两侧的󰀁相贫化区加宽。同

时合金的拉伸性能在650℃、1000h时效后也随着时效时间的延长而下降,其持久寿命下降更快。

关键词　GH169合金,长期时效,稳定性

ABSTRACT　AnisothermalagingstudywascarriedoutonalloyGH169forupto1000hat600℃and6000hat650℃.Therewasnoapparentchangeinstructureandpropertyasthematerialwasagedfor1000hat600℃.Structuraltransitions

″

occurredasalloyGH169wasagedforupto6000hat650℃:thematrix󰀁coa-″″lesced,agreatdealof󰀁changedinto󰀁phase,andthedepletedareaof󰀁phase

broadenedonbothsidesalonggrainboundaries.Afteragingfor1000hat650℃,thetensilestrengthdropswithincreasingagingtime,whilethestressrupturelifedropsevenfaster.

KEYWORDS　alloyGH169,long-timeaging,stability

　　GH169合金是镍基高温合金,通过沉淀析出󰀁

′

(Ni3Nb)和󰀁[Ni3(Al、Ti)]达到弥散强化,该合金具有良好的抗疲劳、抗腐蚀、抗松弛和焊接、加工性能,已应用于我国航空、航天工业的多种型号发动机中,被制成涡轮盘、鼓筒轴、甩油盘、涡轮叶片、紧固件等重要零件。这就要求GH169合金零件要能承受上千

″

成分、力学性能和显微组织等均满足技术条件要求。

　　材料经标准热处理:950～960℃×1h,空冷+720℃×8h后经55℃/h炉冷至620℃×8h,空冷。然后将试样在空气中进行热时效,热时效后检测室温、500℃、650℃的高温拉伸性能和650℃、690MPa的高温持久性能,并通过光学显微镜和透射电镜观察组织变化。热时效处理制度见表1,材料化学成分的质量分数见表2。

表1　材料的热时效处理制度

Table1　Agingtreatmentoftheexperimentalmaterials

炉　号3810—68H210007

时效温度/℃

600650

时效时间/h

300,500,1000

300,500,1000,3000,6000

小时的使用。在使用过程中,该合金组织性能的稳定性对发动机设计及材料应用工程研究是很重要的。本试验研究了经标准热处理的GH169合金材料,在600℃和650℃热时效过程中组织、性能的变化。

1　材料及试验方法

　　用于长期时效的GH169合金试样均取自经水压机模锻的盘件,炉号为3810—6、8H210007。化学

　作者单位:冶金部钢铁研究总院(CentralIron&SteelResearchInstitute,MMI)　联系人:邓　群,工程师,北京(100081),冶金部钢铁研究总院5室34

钢　铁　研　究　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　　第10卷表2　材料的化学成分/%

Table2　Compositionsoftheexperimentalmaterials/%

炉　　号8H2100073810—6炉　　号8H2100073810—6

C0.0380.038Al0.510.57

Mn0.0200.032Ti1.030.97

Si0.050.17Cu0.020.13

P0.0030.007Nb5.095.37

S0.0040.004Co0.120.09

Ni52.7452.91Cr18.2918.56

Mo2.933.06Mg0.00750.0074

2　长期时效对材料力学性能的影响

　　3810—6及8H210007炉号材料分别经600℃和650℃热时效后的拉伸性能变化见图1,持久性能变化见表3和表4(试验中均无缺口敏感)。　　从以上试验可得出如下结果:

　　(1)在600℃和650℃时效至1000h,拉伸强度均随时效时间的延长而上升。

　　(2)在650℃时效至1000h后强度开始下降,3000h后下降速度加快。其中拉伸强度的变化较

小,屈服强度的变化较明显。对比三组不同时效温度的拉伸曲线,时效对650℃拉伸强度的影响尤为明显。

　　(3)在600℃时效至1000h和在650℃时效至6000h,拉伸强度、屈服强度的测试数据均满足技术条件要求。

　　(4)650℃、690MPa的持久寿命均随时效时间的延长而降低。在650℃时效至6000h后的持久寿命只有3h,达不到技术条件要求的25h。　　综上所述,该材料在650℃时效至6000h,瞬

图1　经600℃(a)及650℃(b)长期时效后材料的拉伸强度

Fig.1　Effectoflong-timeagingat600℃(a)and650℃(b)ontensileproperties

表3　3810—6炉号试样600℃时效后的持久

性能(650℃、690MPa)

Table3　Rupturelifeofsamples(HeatNo.3810—6)

afterlong-timeagingat600℃(650℃and690MPa)

时效时间

h标准热处理

3005001000

持久寿命

h130,7059,59101,4941,53

󰀁/%36.0,25.224.4,22.425.2,35.6

󰀁/%59.2,56.259.2,59.051.0,59.061.7,61.5

表4　8H210007炉号试样650℃时效后的持久

性能(650℃、690MPa)

Table4　Rupturelifeofsamples(HeatNo.8H210007)

afterlong-timeagingat650℃(650℃and690MPa)

时效时间

h标准热处理

300500100030006000持久寿命

h59,6233,4648,4534,5016,173,3󰀁/%20.0,20.123.9,22.036.0,40.029.6,31.430.4,41.228.0,29.2󰀁/%19.2,26.439.7,39.543.0,45.040.5,44.853.7,52.059.3,53.7第2期　　　　　　　　　　　　邓　群等:GH169合金高温长期时效后的组织性能变化

35

时拉伸强度仍能满足技术条件的要求,证明其长期时效性能是较稳定的。

3　长期时效过程中材料的组织变化

　　GH169合金属于Ni-Fe基变形高温合金,它主

″′

要依靠󰀁相起强化作用,此外还有少量󰀁强化相。󰀁″相是亚稳态的强化相,在高温长时间加热时易转变为稳态的󰀁脆化相。对于经过完全热处理的GH169合金来说,在高温长期使用过程中,首先会不断产生强化的󰀁+󰀁相的补充析出过程(二次强化),这对于提高合金的力学性能是有利的。不过,随着时效温度和时间的不断增加,将发生亚稳态的󰀁″相向󰀁相

″′的脆性转变和󰀁、󰀁相的聚集长大,这会大大削弱󰀁″

″

′

图3　650℃长期时效前后碳化物的形貌

(a)正常热处理状态下;　(b)650℃下时效6000h

Fig.3　Carbidemorphologiesbeforeandafter

long-timeagingat650℃

　　(2)在650℃、1000h以后的时效中,随着时效时间的延长,晶界、晶内󰀁相数量逐渐增加,并且󰀁

′″+󰀁相明显长大;时效3000h,󰀁相明显粗化,晶界

″

相的强化作用,致使合金的力学性能下降。

　　利用光学显微镜和透射电镜观察了长期时效过程中的组织变化。图2、图3分别示出600℃和650℃长期时效后碳化物的形貌。图4、图5则分别示出上述两种条件下亚稳态的󰀁强化相与稳态的󰀁脆化相的分布情况。图6是650℃长期时效材料的相分析情况。从中可得出以下结果:

″

两侧的󰀁″相贫化区显著加宽;时效至6000h,不仅″″

󰀁相进一步长大,在晶内已有大量󰀁相向󰀁相转化,󰀁

″

相周围的󰀁相贫化程度加重,从而使得650

℃、1000h时效后的拉伸强度开始下降,并且随着时效时间延长,强度下降速度加快。

　　测试结果表明:在600℃、650℃热时效过程中盘件合金的持久寿命不断降低,650℃时效3000h和6000h的持久寿命分别为16h和3h,均低于技术条件要求的25h。为搞清原因,将650℃时效6000h的持久试样纵剖,用光学显微镜和透射电镜观察其组织的变化(见图7)。图中分别列出持久试样纵剖面上4个不同部位的组织。图中1点为邻近断口部位,4点为持久试样螺纹处。从1点到4点即

图2　600℃长期时效前后碳化物的形貌

(a)正常热处理状态下;　(b)600℃下时效1000h

从断口至螺纹处各部位所受的环境温度和应力不同,1点与2点处于试样工作部位温度(650℃);3点温度接近650℃;4点在螺纹部位,直径最大,所受应力最小。

　　从图7可以看到,1点,2点和3点中󰀁相集聚

″″

增多,有黑晶,更多的󰀁相转化成󰀁相,󰀁相贫化区更宽;与650℃、6000h时效后组织状态(图5)相比,发现1点、2点和3点的组织状态严重恶化,只有4点中合金组织状态与原时效后的组织接近,变化不大。

　　上述不同部位的组织变化与各部位所受的温度、应力是对应的。环境温度越高,应力越大,该部位

Fig.2　Carbidemorphologiesbeforeandafter

long-timeagingat600℃

　　(1)在600℃、650℃的时效中,时效1000h,合

金的晶界、晶内没有明显的组织变化和异常组织产生,合金中的󰀁相和MC型碳化物数量基本上没有变化;󰀁+󰀁相有补充析出,󰀁相尺寸稍有长大。正是

″

由于󰀁+󰀁′相的补充析出,使合金的拉伸强度随时效时间延长而提高。

″

′

″

36

钢　铁　研　究　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　　第10卷

图4　600℃长期时效过程中的组织变化

(a)～(c)正常热处理;　(d)～(f)600℃,300h时效;　(g)～(i)600℃,500h时效;　(j)～(l)600℃,1000h时效

Fig.4　Variationofmicrostructureduringlong-timeagingat600℃

图5　650℃长期时效过程中的组织变化

″

(a)正常热处理󰀁″相;　(b)300h时效󰀁″相;　(c)500h时效󰀁相;　(d)1000h时效󰀁″相;　(e)3000h时效晶界状态;

″(f)3000h时效晶内󰀁″相;　(g)6000h时效晶内󰀁相;　(h)6000h时效󰀁→󰀁相;　(i)6000h时效晶内󰀁″相

Fig.5　Variationofmicrostructureduringlong-timeagingat650℃

第2期　　　　　　　　　　　　邓　群等:GH169合金高温长期时效后的组织性能变化

37

的组织变化越严重;由于650℃、690MPa持久试验实际上是一种应力时效过程,所以经过热时效后的持久试样,经历了热时效+应力时效的双重时效过程,这会使持久试样的组织、性能受到双重时效的影响。热时效温度越高,时间越长和/或应力时效的温度越高,应力越大,则过时效反应越明显,即持久试

″

样组织进一步恶化,󰀁″相尺寸增大,更多的󰀁相向󰀁

图6　650℃长期时效材料相分析结果Fig.6　Resultsofphaseanalysisfor650℃

long-timeagedmaterials

相转化,形成针状、胞状󰀁相,󰀁相贫化区更宽。这些组织变化导致早期持久断裂,这就是热时效后合金持久寿命降低的原因。因此,随着时效温度升高和时效时间的延长,合金的持久寿命进一步降低。

″

图7　650℃,6000h时效后持久试样各部位的组织

Fig.7　Structuresindifferentpartsofstress-rupturedspecimenagedat650℃for6000h

4　结　论

　　(1)GH169合金在600℃、650℃时效至1000h的性能和组织都是稳定的,可以长期使用。

　　(2)GH169合金在650℃、1000h以上长期时效的过程中,持久寿命逐渐下降,这是热时效和应力时效双重作用的结果。650℃、3000h及6000h时效后的持久寿命低于技术条件的要求。

(1997年4月22日收到修改稿)

参　考　文　献

　1　KorthGE,TrybusCL.TensilePropertiesandMicrostruc-tureofAlloy718ThermalloyAgeto50000h.In:LoriaEAed.Superalloy718,625andVariousDerivatives.PittsburghPennsylvania:TheMinerals,Metals&MaterialsSociety,1991.437