對標鍛件性能指標的增材制造GH4169熱處理工藝試驗：寬區(qū)間固溶溫度調(diào)控析出相配比與晶粒尺寸，實現(xiàn)室溫650℃高溫拉伸及高溫持久綜合性能最優(yōu)配比研究

GH4169具有優(yōu)良的耐腐蝕性、良好的機械性能和焊接性能，被廣泛應(yīng)用于燃氣輪機、渦輪葉片以及燃燒室部件。GH4169是一種Ni基沉淀強化型高溫合金,含有多種合金元素，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，主要由基體、強化相和y'和8相和碳化物等組成[1]。相關(guān)研究表明[2],SLM成形GH4169合金中含有氣孔和未熔合等缺陷[3-5],且橫縱向存在差異，經(jīng)過熱等靜壓/熱處理技術(shù)可以消除內(nèi)部缺陷，已獲得廣泛應(yīng)用。

1、實驗材料及方法

文章采用激光選區(qū)熔化成形設(shè)備打印,成形幅面為250mmx250mm,所用為GH4169合金,粉末元素范圍如表1所示。

實驗用拉伸試棒尺寸為標準試樣,按照《金屬材料拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法》GB/T228.1和《金屬材料拉伸試驗第2部分:高溫試驗方法》GB/T 228.2進行。高溫持久所實驗按照《金屬材料單軸拉伸蠕變試驗方法》GB/T 20392024進行。

實驗采用不同的熱處理制度，研究不同固溶溫度(HT1:980℃-1h-Ar,HT2:1100℃-1h-Ar,HT3:1150℃-1h-Ar,HT4:1200℃-1h-Ar)對增材制造成形GH4169的組織和性能的影響，時效采用GH4169標準時效熱處理工藝，即720℃保溫8h，爐冷至620℃保溫8h。

表1 GH4169粉末化學(xué)成分(wt.%)

2、結(jié)果與分析

2.1金相組織

沉積態(tài)的金相組織,如圖1所示,圖1中組織為柱狀晶,豎向可以看出層與層之間的熔池底部,沉積態(tài)組織較為致密。經(jīng)過制度1熱處理后，組織中原有的掃路徑消失，僅可看到樹枝晶，如圖2所示。固溶溫度升高后，與制度1相比，組織變?yōu)榈容S晶，原有的枝晶組織消失,枝晶間的碳化物溶解,組織中僅可看見少量8相、y"和彌散分布的碳化物,如圖3所示。高溫固溶后,枝晶間的碳化物和富Nb脆性相更多的溶入固溶體中,并減輕了組織的偏析，合金成分更均勻，既強韌化了晶間組織,又增加了后續(xù)時效過程中析出y"的數(shù)量。制度3和制度4的金相組織，和制度2一致，同為等軸晶。

2.2力學(xué)性能

圖4(a)、圖4(b)分別為制度1~制度4的XY向和Z向室溫拉伸性能,可以看出室溫拉伸性能均高于鍛件指標。

制度1~制度4的XY向650℃高溫拉伸性能和Z向650℃高溫拉伸性能，如圖5所示，可以看出制度1的XY向高溫延伸率不合格。與制度1相比，隨著固溶溫度的升高，強度降低，延伸率升高。制度2~制度4性能變化不大，但可以發(fā)現(xiàn)制度3的強塑性綜合性能最優(yōu)。

熱處理會消除組織中的一些脆性相，有利于更多的Nb形成γ"/γ'強化相，晶界上會析出大量的\8相，消耗大量Nb,這會造成后續(xù)時效過程中y"/y強化相的減少,導(dǎo)致變形過程中位錯運動阻力降低。塑性變形過程中強化相相對于位錯運動的阻礙作用是其主要強化方式，故高溫固溶后的GH4169強度相比于標準固溶時效態(tài)會有所降低，同時由于晶粒尺寸長大，細晶強化作用減弱，強度降低，延伸率升高，綜合力學(xué)性能最優(yōu)，金相組織致密無缺陷。

不同制度下的拉伸結(jié)果表明，經(jīng)標準固溶時效后的GH4169的強度最高，由于980℃固溶和雙時效后，組織在晶粒邊界及晶粒內(nèi)部均有δ相的形成，且有γ"和y析出。相比于制度1、制度2~制度4的組織中只在晶界處析出8相。同時,由于制度2~制度4的溫度較高,雖然可以消除微觀組織偏析，但高溫會使得晶粒長大粗化，金相組織呈現(xiàn)等軸晶，因此強度降低、塑性升高。

圖6(a)GH4169高溫持久XY向性能,圖6(b)為Z向持久性能，結(jié)果顯示制度1的持久延伸率偏低，制度3持久延伸率最優(yōu)，制度3實現(xiàn)了增材制造GH4169持久延伸率的突破。

3、結(jié)論

綜上所述，與GH4169標準熱處理工藝相比，隨著固溶溫度的升高，材料的強度降低，塑性升高。當(dāng)固溶溫度高于標準熱處理的固溶溫度時，增材制造成形GH4169的金相組織為等軸晶，拉伸性能和持久時間均高于鍛件指標。當(dāng)固溶溫度分別為1100℃、1150℃、1200℃時，增材制造GH4169的金相組織和拉伸性能變化不大，持久時間均大于50h，持久延伸率均高于3%。當(dāng)固溶溫度為1150℃時，增材制造GH4169的綜合力學(xué)性能最優(yōu)，高溫持久延伸率有極大地改善，實現(xiàn)了增材制造GH4169持久延伸率的突破。

參考文獻

[1]齊歡.INCONEL718(GH4169)高溫合金的發(fā)展與工藝[J].材料工程,2012(8):92-100.

[2]石磊，雷力明，王威，等.熱等靜壓/熱處理工藝對激光選區(qū)熔化成形GH4169合金微觀組織與拉伸性能的影響[J].材料工程,2020,48(6):148-155.

[3]DENG D Y,PENG R L,BRODIN H,et al. Microstructure and mechanical properties of Inconel 718 processed by selective laser melting:sample orientation dependence and effects of post heat treatments[J].MaterialsScience and Engineering:A,2018,713:294-306.

[4]劉東,羅子健.GH4169合金熱加工過程中的顯微組織演化數(shù)學(xué)模型[J].中國有色金屬學(xué)報,2003(5):1211-1218.

[5]鄧曉陽.熱處理對3D打印Inconel718合金組織和力學(xué)性能的影響研究[D].南昌:南昌航空大學(xué),2017.

（注，原文標題：固溶溫度對增材制造GH4169組織和性能的影響_黃敏）