改型GH4133A合金长期时效的性能稳定性研究

张冬梅，国振兴，杨树林，史凤岭，王玉华

(1.中航工业 沈阳黎明航空发动机 (集团)有限责任公司，沈阳 110043; 2.中国人民解放军 驻黎明公司军代表室，沈阳 110043)

改型GH4133A合金长期时效的性能稳定性研究

张冬梅1，国振兴1，杨树林2，史凤岭1，王玉华1

(1.中航工业 沈阳黎明航空发动机 (集团)有限责任公司，沈阳 110043; 2.中国人民解放军 驻黎明公司军代表室，沈阳 110043)

对经过标准热处理改型GH4133A合金，在650、700和750℃进行长时间的时效处理，测量其室温拉伸和冲击性能、硬度、400℃拉伸性能和在750℃/343 MPa条件下持久性能.结果表明:在650℃和700℃下时效时，合金的性能变化规律一致，性能具有良好的稳定性.而在750℃时效时，合金的室温拉伸和400℃拉伸性能在时效500 h以前保持稳定，500 h以后随时效时间的增长而下降;合金的室温冲击性能在时效300 h以前保持稳定，300 h后下降;合金在750℃/343 MPa条件下，在时效600 h以前，持久性能寿命很稳定，基本保持在100 h左右，时效600 h以后的持久寿命迅速下降.

改型GH4133A合金;长期时效;性能稳定性

改型GH4133A高温合金是在GH4133基础上，适当提高合金元素Al和Ti的含量，并添加合金元素Nb发展而成的一种以Ni－Cr固溶体为基体，以γ'相为主要强化相，经过时效强化并且增加了微量元素Mg和Zr的新型镍基合金.该合金屈服强度高，并且有较高的热强性、良好的综合性能和足够的抗氧化性能［1，2］.改型GH4133A合金属于耐高温的强韧化材料，多用于飞机发动机的Ⅰ、Ⅱ级涡轮盘材料.该合金的工作温度为650～ 700℃，环境十分恶劣，为了保证合金有长期的使用寿命和安全可靠性，合金必须具备足够的组织和性能稳定性［3，4］.为此，在前期对改型GH4133A合金在长期时效过程中的组织行为特征的研究基础上［5］，本文对改型GH4133A合金长期时效的性能稳定性进行了研究，以便更好地认识该类合金性能变化特点，对改型GH4133A高温合金的安全使用提供理论支持和科学依据.

1 试验材料和试验方法

试验材料为采用非真空感应炉加电渣重熔双联工艺生产的90 mm方锻材，其化学成分如表1所示.材料长期时效试验前均进行标准热处理(1 080±10℃×8 h，空冷+750℃±10℃ ×16 h，空冷)，其标准热处理后的力学性能和技术条件见表2所示.根据合金的使用温度，长期时效的试验温度选择为650、700和750℃，时效时间为50、100、300、500、600、1 000和2 000 h.

考虑合金常规性能和综合性能的要求，力学性能主要测试合金的室温拉伸性能、室温冲击性能、硬度、400℃拉伸性能和在750℃/343 MPa条件下的持久性能等.

表1 试验材料的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of the tested material(mass fraction) %

表2 合金标准热处理后的力学性能和技术条件Table 2 The technical condition and properties of GH4133A alloy after standard heat－treatment

2 试验结果与讨论

2.1 650℃长期时效过程中力学性能的变化

表3为改型GH4133A高温合金650℃长期时效过程中力学性能的变化.可以看出，合金的室温拉伸强度(σb、σ0.2)在时效1 000 h以前不仅没有下降，反而上升，峰值出现在600～1 000 h.σb随时效时间的延长而上升，1 000 h后缓慢下降，时效2 000 h后，σb仍相当于正常热处理时σb的水平(正常热处理后的σb为1 196 MPa);屈服强度随着时效时间增长至峰值后下降，时效2 000 h后的σ0.2稍微低于正常热处理后的806 MPa;合金的室温拉伸塑性(δ、ψ)在整个时效区间随时效时间的加长平缓下降，但经2 000 h时效后，合金的δ和ψ略微比正常热处理后的值低.从表3的室温拉伸性能指标可以看出，塑性的下降与强度的提高相对应.

从表3可以看出，合金室温冲击aK值在时效1 000 h以前保持不变，这正是合金强度的提高和塑性下降共同作用的结果.时效1 000 h后，因合金拉伸强度的下降，使得合金的aK值也趋下降;合金的硬度在长期时效过程中下降甚微，几乎保持正常热处理的硬度值不变.

在400℃拉伸时，合金的σb随时效时间的增长上升，1 00 h时效前 σb上升较快，100 h至1 000 h时效区间σb基本稳定，时效1 000 h以后σb有下降趋势，但至2 000 h时效σb仍高于合金正常状态的最高强度(1 098 MPa);合金正常热处理后在400℃拉伸的σ0.2为752 MPa，σ0.2在时效100 h以前是上升的，而300 h以后则平缓下降.这一点与σb的变化规律不同，时效2 000 h，σ0.2和合金正常状态的σ0.2相等;合金的400℃拉伸δ5和ψ在时效的全过程中缓慢下降，在100 h至1 000 h时效区间，合金的塑性曲线比较平稳，2 000 h时效以后，合金400℃拉伸塑性也变化不大，δ5和ψ仍分别为21%和28%.

对于在750℃/343 MPa条件下的持久性能，合金的光滑持久寿命和塑性在50～1 000 h时效区间均随着时效时间的增加而提高，100 h时效合金的持久寿命为130 h，1 000 h时效后持久寿命为150 h.从表3可以看出，合金在650℃下长期时效，其持久性能稳定，时效1 000 h以后，合金持久寿命稍有下降，但经2 000 h时效后合金持久寿命仍为80 h左右.δ5和ψ在1 000 h时效以前有所提高，1 000 h时效，δ5和ψ均在4%以上，2 000 h时效的δ5和ψ仍然为2%和3%左右.

GH4133A合金在650℃长期时效过程中的性能变化与组织变化密切相关，根据对合金的组织的研究［5］，GH4133A合金在650℃长期时效过程中，其组织稳定.γ'相在时效过程中补充析出，1 000 h时效γ'相颗粒不长大.晶界面上的相由薄片状、大树枝晶状的M4B3和颗粒状的M23C6随时效时间加长向颗粒状M23C6转变.1 000 h后晶界上为细小颗粒的M23C6.从而合金各项强度指标随时效时间的增长有所提高，塑性指标几乎保持不变.1 000 h时效后合金性能随组织变化有所变化，合金各项性能指标2 000 h时效后仍大大超过技术条件的要求.

表3 GH4133A合金650于℃长期时效的性能Table 3 The properties of GH4133A alloy after aging at 650℃ for different time

2.2 700℃长期时效合金力学性能的变化

表4显示了GH4133A合金在700℃长期时效过程中力学性能的变化.从表4可以看出，室温拉伸的σb在100 h以前随时效时间的增长上升(正常热处理后的σb为1 196 MPa)，至100 h时效σb为1 265 MPa，100 h至2 000 h时效，合金的断裂强度基本不变;屈服强度在时效的全过程保持正常热处理状态水平(正常热处理后屈服强度806 MPa);δ5和ψ由正常状态的30%和33%均匀下降至22%;由于强度不变，aK变化规律和拉伸塑性相同，2 000 h时效的aK值为34.3 J/cm2;合金的硬度在时效过程中不变.

合金400℃拉伸σb和σ0.2随时效时间的增长呈上升趋势.2 000 h时效σb和σ0.2分别比正常热处理(值分别为1 098 MPa和752 MPa)的高出118 MPa和78 MPa;δ5在时效过程中均匀下降，2 000 h时效δ5值和650℃的一样;ψ在100 h时效前有些下降，而在100 h以后平缓上升，到2 000 h时ψ值和原态相等.

700℃长期时效，合金的持久性能很稳定.与650℃时效比较有一明显特点，即在整个时效过程中合金的持久寿命缓慢下降，1 000 h时效不产生突变，时效2 000 h持久寿命仍为90 h这样高的水平;持久塑性(δ5、ψ)在100 h至1 000 h时效区间恒定不变，1 000 h后稍有下降.

根据对合金组织的研究［5］，GH4133A合金在700℃长期时效过程中组织是稳定的.γ'相在时效过程中补充析出，M23C6含量增加.1 000 h合金晶界略有加宽，2 000 h时效后γ'相颗粒变大.300 h时效晶界面上为颗粒M23C6，细小枝晶状相已很少，1 000 h后M23C6颗粒已较大.从而合金各项性能指标在时效的全过程中基本上保持不变，2 000 h时效后性能仍大大超过技术条件的要求.

表4 GH4133A合金700℃长期时效的性能Table 4 The properties of GH4133A alloy after aging at 700℃ for different time

2.3 750℃长期时效合金力学性能的变化

表5显示了GH4133A合金在750℃长期时效的力学性能的变化.合金在高的温度下长期时效，不仅使得晶界形态以及强化相颗粒尺寸发生变化，而且合金产生相变，所以合金性能的变化比较复杂.

从表5可以看出，在室温下拉伸变形时，合金抗拉强度σb在时效500 h以前基本上保持稳定，500 h以后随时效时间的增长而下降，时效2 000 h后的σb降到1 098 MPa;σ0.2总的来看比σb下降快一些，500 h以前缓慢下降，500 h以后下降较快;δ5、ψ在500 h以前保持稳定，500 h后略有下降，时效600 h的δ5、ψ均为22%左右，更长的时效，合金的δ5和ψ保持不变.这是因为合金在750℃下时效500～600 h时，新相析出使得合金性能下降［5］.

合金的室温冲击aK值在时效300 h以前保持恒定，300 h后下降，时效500 h至2 000 h的aK值基本保持稳定，可见aK对组织的变化更为敏感，合金的硬度随时效时间的增长下降.由于γ'相长大的速度较大［5］，所以该温度下时效时合金硬度下降比650℃、700℃为快.

合金在400℃拉伸时，σb在时效500 h以前基本稳定，500 h以后稍有下降;σ0.2在500 h时效以前缓慢下降，500 h以后下降较快;而δ5的值在600 h至2 000 h时为22%，500～600 h时效没有突变点;ψ变化规律和δ5差不多，但在时效500 h有下降的突变点，使得ψ比δ5在更长的时效时低，这是因为新相的析出对400℃拉伸塑性的ψ更有所影响.

合金高温下长期工作首先要考虑合金的持久寿命.GH4133A合金时效600 h以前，在750℃/ 343 MPa条件下的持久性能仍很稳定，基本保持在100 h左右，但在合金出现新的相后，持久性能下降，600 h以后的持久寿命迅速下降，1 000 h时效后合金的持久寿命只有30 h左右.持久的δ5和ψ值变化规律一样，在500 h以前均随时效时间的增加而有所上升，500 h时效后塑性因新相析出而下降，600 h出现最低点，但在 600 h至2 000 h时效区间，δ5和ψ值却迅速上升.

根据对合金的组织的研究［5］，GH4133A合金在750℃下长期时效，合金的组织在500 h时效后开始出现η相，这时晶界上偶能见到η相，600 h后晶界上均有η相析出.η相随时效时间加长进一步析出、变长，粗化成片状，由晶界向晶内生长，2 000 h后晶内也析出η相.η相充分析出造成晶界贫γ'相区，贫γ'相区随时间增长变宽.由于合金500 h时效出现η相，各项性能指标曲线出现拐点.但少量的η相尚不能影响合金性能，600 h时效后合金性能才下降.

表5 GH4133A合金750℃长期时效的性能Table 5 The properties of GH4133A alloy after aging at 750℃ for different time

3 结论

(1)改型GH4133A合金经过650℃和700℃长期时效后，室温拉伸和冲击性能、硬度、400℃拉伸性能和在750℃/343 MPa条件下持久性能无明显变化，表现出良好性能稳定性，合金的所有性能指标超过技术条件的要求，具备长期使用的可靠性.

(2)改型GH4133A合金经过750℃长期时效后，合金的室温拉伸性能和400℃拉伸性能在在时效500 h以前基本上保持稳定，500 h以后随时效时间的增长而下降.合金的室温冲击aK值在时效300 h以前保持恒定，300 h后下降，500～2 000 h时效aK值基本保持稳定.合金在750℃/ 343 MPa条件下，在时效600 h以前，持久性能寿命很稳定，基本保持在100 h左右，600 h以后的持久寿命迅速下降.持久的δ5和ψ值变化规律一样，在500 h以前均随时效时间的增加而有所上升，500 h时效后塑性下降，600 h出现最低点，但在600 h至2 000 h时效区间，δ5和ψ值却迅速上升.

［1］师昌绪，李恒德，周廉.材料科学与工程手册(上卷－第6篇)［M］.北京:化学工业出版社，2004.

(SHI Chang－xu，LI Heng－de，ZHOU Lian.Material science and engineering manual(first volume－sixth paper)［M］.Beijin:Chemical Industry Press，2004.)

［2］Elihu F，Bradly.Superalloys:a technical guide［M］.Metals Park，OH，ASM International，1988.

［3］Park N K，Kim I S，Na Y S，et al.Hot forging of a nickelbase superalloy［J］.Joural of materials processing technology， 2001，111(1):98－102.

［4］Medeiros S C，Prasad Y V R K，Frazier W G，et al.Microstructural moldeling of metadynamic re－crystallization in hot working of in 718 superalloy［J］.Materials science and engineering A，2000，293:198－207.

［5］张冬梅，国振兴，陈仲强，等.改型GH4133A合金长期时效的组织稳定性研究［J］.材料与冶金学报，2010，9(2): 121－126.

(ZHANG Dong－mei，GUO Zhen－xing，CHEN Zhongqiang，et al.Study of structure stability in modified GH4133A alloy after long－term aging［J］.Journal of materials and metallurgy，2010，9(2):121－126.

Study on stability of mechanical properties for modified GH4133A alloy after long－term aging

ZHANG Dong-mei1，GUO Zhen-xing1，YANG Shu-lin2，SHI Feng-ling1，WANG YU-hua1
(1.AVIC Shenyang Liming Aero－Engine(Group)Corporation Ltd，Shenyang 110043，China; 2.Office of Chinese Peoples Liberation Army in Shenyang Liming Aero－engine(Group)Corporation，Shenyang 110043，China)

Mechanical properties of a modified GH4133A alloy after standard heat treatment followed by long time aging treatment at 650℃，700℃ and 750℃ respectively were tested at room temperature and high temperature.The results indicated that the change of the tensile and impact property at room temperature，the hardness，the tensile property at 400℃ and stress－rupture life at 750℃/343 MPa is identical，and mechanical properties stability is good in the modified GH4133A alloy after long－term aging at 650 and 700℃.On the other hand，when the aging temperature is 750℃，the tensile properties at room temperature and 400℃ are steady before 500 h aging，and then decrease with the aging time from 500 h to 2 000 h.The impact property is steady before 300 h aging，and it begins to decrease after 300 h.The stress－rupture life at 750℃/343 MPa is steady before 600 h aging，the value is about 100 h，and then reduces distinctly with the aging time from 600 h to 2 000 h.

modified GH4133A alloy;long－term aging;mechanical properties stability

TG 142.1

A

1671-6620(2012)03-0202-05

2012-06-01.

国家自然基金资助项目 (50901014).

张冬梅 (1978—)，女，工程师，E－mail:zhangdmdd@sohu.com;史凤岭 (1964—)，男，研究员级高级工程师，E－mail:sylm_sfl@yahoo.cn.