GH4169合金的低温冲击试验

2011-07-30孔永华李东方陈国胜朱世根

低温工程 2011年4期

孔永华王飞李东方陈国胜朱世根

1 引言

GH4169合金是Ni-Cr-Fe基时效强化变形高温合金，因其具有良好的综合性能，在中国主要用于航空、航天领域［1-2］。中国某先进火箭发动机的关键转动部件就是采用GH4169合金制造的，该部件工作环境相当苛刻，设计部门对它的性能要求十分严格，其中一个性能指标就是低温冲击性能［3］。为了提高部件的可靠性，对GH4169合金径锻试样低温冲击时晶粒大小对冲击功与的影响和低温冲击与室温冲击所需冲击功大小进行研究分析，并进一步对径锻件和热连轧件低温冲击时的所需要的冲击功大小进行对比和研究，同时用SEM观察了冲击断口。

2 试验材料和方法

试验用料系宝钢集团特殊钢分公司提供的GH4169合金，锻件采用真空感应+真空自耗的双联冶炼工艺，铸锭高温扩散退火工艺为:1 160℃/24 h+1 190℃/72 h/空冷。铸锭经开坯、径向锻造成φ95 mm的锻件，径向锻造采用一火锻造，在1 005—1 020℃附近加热，始锻温度控制在960℃左右，终锻温度在940—980℃范围内。取边缘和中心部位，分别经机加工成10 mm×10 mm×55 mm(V型缺口)的标准冲击试样［4］。试验时先把试样在-196℃的液氮中浸泡5 min，然后进行冲击试验。冲击试验机的型号为ZBC2302B，最大冲击功为300 J，试验后分别在金相显微镜和SEM下观察冲击试样的金相组织和冲击断口。

3 晶粒度对冲击功的影响

分别取GH4169高温合金锻件的边缘和中心部分，加工成夏比(V型缺口)标准冲击试样，试验时，先把试样在-196℃的液氮中浸泡5 min，然后进行冲击试验。低温冲击试验的数据如表1，由表1可知边缘部位低温冲击时的吸收功要比中心部位的吸收功大，也就是说边缘部位要比中心部位晶粒细小，在低温冲击时，所需的冲击功要大。

表1 GH4169合金不同部位低温冲击数据Table 1 Impact data of alloy GH4169 different parts at low temperature

观察边缘和中心试样的宏观断口，发现宏观断口表面呈暗灰色，断口由源区，放射区和剪切唇区组成。源区在缺口附近，随后是放射区，三个自由表面则是剪切唇区。图1、图2为微观断口显示，无论是试样的边缘还是中心部位的源区，放射区和剪切唇区均为韧窝断裂，源区和放射区的韧窝较大、较深，源区大韧窝中有明显的蛇形滑移花样，剪切唇区对的韧窝较小、较浅。

图1 GH4169径锻试样边缘低温冲击显微组织Fig.1 Microstructures of as-forged alloy GH4169 in edge place at low temperature impact

图2 GH4169径锻试样中心低温冲击显微组织Fig.2 Microstructures of as-forged alloy GH4169 in center place at low temperature impact

上述试验数据可以表明:晶粒大小对GH4169合金的低温性能有一定影响。晶粒越细小，在低温冲击时所需要的冲击功也就越大;反之亦然。分析其原因，在试样断裂过程中，一方面晶粒细小的地方，裂纹萌生几率大;晶粒粗大的地方，裂纹萌生几率小［5］。另一方面在低温冲击过程中，位错在晶粒边界塞积，来不及攀移，就形成了微裂纹。但是后者起到了主要作用。因此，晶粒细小的地方，裂纹萌生点多，但是在裂纹扩展时，由于应力集中，裂纹前端应力场较大，位错会在晶界的位置塞集，阻碍位错的运动，最终导致裂纹形成功较大，反之亦然。总的来说，晶粒细小的试样，所需要的冲击功大。

4 室温冲击和低温冲击的比较

取径锻件的边缘做成夏比(V型缺口)试样，分别在室温和低温条件下进行冲击试验。低温冲击试验时，先把试样在-196℃的液氮中浸泡5 min，然后进行冲击试验，试验数据如表 2。由表 2可知:GH4169高温合金在室温和液氮温度下进行冲击试验，所需要的冲击吸收功差别不大，也就是说从室温到液氮温度其冲击韧性几乎没有降低。

表2 GH4169合金不同温度下的冲击数据Table 2 Impact data of alloy GH4169 at different temperatures

如图3所示，观察观察试样室温冲击的宏观断口和冲击断口的SEM照片，宏观断口表面呈暗灰色，断口由源区，放射区和剪切唇区组成。源区在缺口附近，随后是放射区，三个自由表面则是剪切唇区。微观断口显示，源区，放射区和剪切唇区均为韧窝断裂。源区和放射区的韧窝较大，较深，剪切唇区的韧窝较小、较浅。放射区韧窝中有明显的蛇形滑移花样。分析低温韧性和室温韧性几乎一样的原因，可能有以下两方面的原因:一方面是化学元素的影响。晶界上如有大量P，Mn等元素偏聚，就是使其产生脆硬相，增加了晶界的脆性，并且使晶界原子排列混乱，削减了界面结合力。但是当 P≤0.04%，Mn≤0.35%，Si≤1.3%时，就会获得较好的低温韧性。

图3 GH4169径锻试样边缘室温冲击显微组织Fig.3 Microstructures of as-forged alloy GH4169 in edge place at room temperature impact

由表3可知，在GH4169高温合金的化学成分中，发现P、Mn、Si的含量都小于这个标准，这是其低温韧性较好的一个方面原因［6］。

表3 GH4169合金的化学成分(质量分数)Table 3 Chemical analysis of alloy GH4169(mass fraction) %

另外，只有以体心立方金属为基的冷脆金属才具有明显的低温脆性，在可用滑移系统足够多、阻碍滑移的因素不因条件而加剧的情况下，材料将保持足够的变形能力而不表现出脆性断裂，以面心立方为基的金属就属于这种情况［7］。但是体心立方为基的金属，在温度较高的情况下，变形能力尚好，滑移面不受阻碍，但在低温条件下，间隙杂质原子与位错和晶界相互作用的强度增加，阻碍位错运动，封锁滑移的作用加剧，使得对变形的适应能力减弱。因此，低温脆性还取决于晶格类型。在GH4169高温合金中，Ni占到50%—55%，是主要的成分，而Ni是面心立方结构，因此在低温的情况下使GH4169高温合金不具备低温脆性，在液氮的温度下仍然具有较好的韧性。

综合以上两方面，GH4169高温合金在低温时仍然具有和室温时几乎一样的冲击韧性。

5 GH4169合金不同工艺的低温冲击比较

分别取 GH4169 径锻工艺［8］和热连轧［9］工艺下的GH4169合金的边缘做成夏比(V型缺口)试样，进行低温冲击试验。试验数据如表4。由表4可知:GH4169高温合金在低温冲击时时，热连轧件所需要的冲击功要远远大于径锻件，也就是说，在低温时，GH4169高温合金热连轧件的韧性要远远好于径锻件。

表4 GH4169合金径锻试样和热连轧工艺下低温冲击数据Table 4 Impact data of alloy GH4169 at low temperature between forging and hot rolling

观察热连轧低温冲击试样的宏观断口和冲击断口的SEM照片图4，发现GH4169高温合金径锻试样和热连轧试样宏观断口，表面均呈暗灰色，断口由源区，放射区和剪切唇区组成。源区在缺口附近，随后是放射区，3个自由表面则是剪切唇区。

图4 GH4169合金热连轧试样边缘室温冲击显微组织Fig.4 Microstructures of hot rolling alloy GH4169 in edge place at room temperature impact

微观断口均显示，源区，放射区和剪切唇区均为韧窝断裂。剪切唇区对的韧窝较小、较浅。源区和放射区的韧窝较大，较深，源区大韧窝中有明显的蛇形滑移花样。

分析GH4169高温合金低温时，GH4169高温合金热连轧件的韧性要远远好于径锻件的原因，在于GH4169高温合金在进行热连轧过程中，通过热轧变形过程中发生的动态再结晶及道次间的静态(亚稳态)再结晶获得了细小的晶粒，由于晶粒细小，晶界相对于就会增多，裂纹扩展时，由于应力集中，裂纹前端应力场较大，位错会在晶界的位置塞集，阻碍位错的运动，最终导致热连轧试样的低温韧性要远远好于径锻试样［10］。