GH2107高温合金力学性能的研究

杨　成，王海强，肖　旋

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳 110159)



GH2107高温合金力学性能的研究

杨成，王海强，肖旋

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳 110159)

摘要：对热处理态下的镍铁基高温合金GH2107进行瞬时拉伸试验及持久试验，拉伸试验在室温和高温下进行，室温至高温的拉伸断口从沿晶断转向穿晶断，合金的屈服强度在700℃有明显的回升。将持久试验获得的数据构成LMP拉伸米勒曲线，可预测其持久寿命，在700℃200MPa下合金的寿命可达十万小时，优于同类别的其它合金。

关键词：GH2107；高温合金；力学性能；断口

高温合金在高温下具有很好的强度，高温合金实际上是指能够承受600℃以上的高温，并在较大的复杂应力下使用后表面稳定的高合金化铁基、镍基和钴基奥氏体金属材料。以高合金化的Fe-Ni基奥氏体为基的合金统称为铁镍基高温合金。追溯铁镍基高温合金的起源可以认为是从铁基奥式体不锈钢发展而来的，偶然将少量Ti元素将入到奥氏体Fe-Ni-Cr合金中发现在高温下仍然具有很高的强度[1-2]。铁镍基高温合金的优势在于基体内含有大量的Fe，重金属元素如Co、Cr、Mo等添加的比较少，因为Fe相对于Ni、Cr和Co廉价，所以铁镍基的高温合金成本要明显低于镍基和钴基高温合金。但是铁镍基的高温合金也有缺陷，Fe-Ni基稳定性不够好，由于Fe在室温下为bcc结构，高温下为fcc结构，室温到高温时Fe会发生同素异构的转变α铁素体→奥氏体γ→δ铁素体，导致Fe的稳定性比较差，相比于镍基可以加入大量的固溶强化元素和弥散强化元素，铁基有明显的劣势。因此都会在基体内加入至少约25%的镍来稳定奥氏体基体形成了Fe-Ni基的高温合金。

GH2107即是一种Ni-Fe基变形高温合金，主要应用于700～750℃工作电站当中燃气轮机涡轮工作的叶片。由于其在实际使用过程中处在高温高压的情况下，所以了解该合金在高温高压下合金的力学性能至关重要，力学性能的稳定也保证了合金进行长期的安全使用。本文主要研究标准热处理态下GH2107合金的瞬时拉伸性能和持久性能。瞬时拉伸试验包括在室温和不同的高温条件下，从而得到合金在不同温度下拉伸的强度、屈服强度、延伸率和收缩率，了解其断裂的方式及其断裂的机理。在700℃不同压力下对合金进行持久试验，通过对数据的拟合，可以很好地预测合金在实际使用中的寿命。

1实验方法

1.1实验材料

实验所采用的材料为铁镍基变形高温合金GH2107[3]，合金的化学成分(wt%)为：C 0.05、B 0.005、P 0.02、Mo+W 4.0、Al+Ti 3.3、Cr 15、Ni 40、Fe余量。合金采用25kg的国产真空感应炉进行熔炼，然后对合金锭进行开坯锻造，在1150℃下锻造成40mm×40mm的方坯料，最后对合金进行热轧，在1200℃下热轧成φ16mm的棒材。

1.2实验方法

对GH2107的标准热处理采用两段式，分为固溶热处理和时效热处理两个阶段：1150℃/2h/AC固溶+780℃/24h/AC时效。对标准热处理态GH2107合金分别进行拉伸与持久试验。瞬时拉伸的试验条件为在拉伸加载速率不变的情况下分别在室温、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃、750℃、800℃、850℃和900℃十个温度下进行拉伸。持久试验为在700℃分别在6个不同应力下进行：550MPa、500MPa、425MPa、400MPa、350MPa和300MPa。经过拉伸和持久试验后的试样用HitachiS-3400N型扫描电镜对其进行断口观察，然后采用FEI Tecnai G2型透射电镜对其进行位错及微观结构的观察。

2实验结果与分析

2.1拉伸性能曲线

图1a为标准热处理态的GH2107合金在室温及高温下的瞬时拉伸性能图。可以看出合金GH2107的极限拉伸强度随着温度的升高而逐渐降低，当温度达到600℃时，极限拉伸强度急剧下降。室温时的极限拉伸强度为1022MPa，850℃时强度降低到410MPa。合金的屈服强度总的来说是下降趋势，屈服强度在室温下为537MPa，但在600℃时，屈服强度有明显回升，形成一个波峰，其在700℃时达到峰值为545MPa，然后急剧下降，在850℃时屈服强度降低到310MPa(900℃时屈服强度为127MPa)。例如GTD-111等合金都具有类似的情况产生[3-6]。

图1b为合金的塑性性能图，包括伸长率和断面收缩率，其总体呈上升趋势。拉伸在室温和500℃下的伸长率几乎同为24%；在500～550℃时有所降低，550℃时伸长率为22%；随后快速增长，在700～750℃时，伸长率渡过一个平稳期基本

(a)强度曲线

(b)塑性曲线

保持在40%左右；在850℃下拉伸的伸长率最高达到49%。合金的收缩率从室温到500℃时有所增长，从23%增加到30%；在500～650℃收缩率经历曲折后开始降低，600℃拉伸时收缩率达到最低为27.5%；而后迅速上升，在850℃达到峰值为69.5%(900℃时没有测出)。宏观来看，在750℃之前断面收缩率大于伸长率，750℃后反之。

为便于理解，在十个温度当中选取四个非常具有代表性的温度节点来对合金进行进一步的分析，节点分别为：室温、550℃、700℃和800℃。

2.2瞬时拉伸断口形貌

图2为合金在室温、550℃、700℃和800℃下的拉伸断口，可以清晰地观察到，室温拉伸的断口断裂方式为沿晶断裂，存在数量很少的韧窝，并且晶粒间存在二次裂纹，见图2a、图2b。在550℃下拉伸的主要断裂方式为沿晶断裂，相比于室温拉伸，其韧窝有所增加，断口宏观也略显平滑，同样在550℃下拉伸也存在二次晶间裂纹见图2c、图2d。在700℃下拉伸的断裂方式为韧性断裂，此时宏观上断口呈光滑平整，微观上断口产生了大量的韧窝，韧窝分布均匀且大小深浅适中见图2e、图2f。所以，在700℃下拉伸比室温和550℃下拉伸的强度要高、塑性要好。在800℃时拉伸的断裂方式为完全的韧性断裂，宏观上表面光滑，微观上韧窝呈现出断裂、杂乱分布，韧窝明显被拉长并且在韧窝间存在大量大小不一的孔洞，见图2g、图2h。韧窝的拉长导致其强度急剧下降，但是塑性呈线性增加。

根据断口的观察与分析，可以得出结论，由室温到高温的拉伸过程中，GH2107合金断裂的方式由沿晶断裂逐渐转变成穿晶断裂。可以认为合金在室温及低温拉伸的情况下，晶界是合金的薄弱环节，所以在低温拉伸过程中往往裂纹在晶界萌生并扩展，呈沿晶断裂即延性断裂。在高温拉伸的情况下，晶内是合金的薄弱环节，应力在晶内集中，由孔洞的萌生进而被拉长成韧窝，最终被拉断，出现大量韧窝的断裂可以认为其是韧性断裂[7-8]。

(a)室温

(b)室温

(c)550℃

(d)550℃

(e)700℃

(f)700℃

(g)800℃

(h)800℃

2.3持久LMP曲线

工程设计当中往往要求材料具备10万小时以上的持久性能，长时间的试验数据直接通过试验获取非常困难，所以在试验中会提高持久试验中的温度和应力来获得短时的断裂时间和温度、应力的关系，再由Larson-Miller参数外推法推算出长时间的断裂时间和温度、应力的关系。

Larson-Miller曲线一般用来预测低应力下合金的持久寿命，Larson-Miller参数方程表示为：P=T(C+logt)×10-3，其中t是持久断裂时间，T是绝对温度，C为常数(通常取20)[9]。由于GH2107是700℃超超临界材料，所以选择700℃作为合金持久拉伸的温度，试验条件为在700℃下分别在550MPa、500MPa、425MPa、350MPa和300MPa载荷下进行持久拉伸。图3为合金GH2107持久性能的Larson-Miller曲线。为了便于比较，绘制出FINEX700和LTES700R变形高温合金的Larson-Miller曲线。从图3可发现：在700℃下，GH2107在整个应力的范围内都高于FINEX700合金，相比于合金LTES700R，GH2107在高应力下略低，在低应力下持久寿命远远高于LTES700R。可以预测在200MPa载荷下，持久寿命可以达到十万小时。

图3　LMP曲线

2.4持久断口形貌

图4为合金在700℃下持久拉伸断口形貌，为更加直观，依次选取在500、425和350MPa下进行持久拉伸研究。在700℃下，不同的载荷对合金断口影响不大，都为混晶断裂，如图4a、c、e。高倍观察，发现主要为沿晶粒断裂，晶粒间存在大量裂纹，并且晶粒上布满了大量的韧窝，如图4b、d。在350MPa下的持久拉伸，晶间的二次裂纹明显减少，并且存在解理面，如图4f。总体来看，在较高应力载荷下，合金会沿晶粒开裂，并且存在大量裂纹，然而在较低的应力载荷下，合金会穿晶断裂，含有明显的解理面。但两者都存在大量的韧窝，都呈混晶断裂。所以说，在温度不变，只变载荷的情况下对合金的断裂方式没有显著的影响。

(a)500MPa

(b)425MPa

(c)350MPa

(d)500MPa

(e)425MPa

(f)350MPa

2.5持久试验中位错运动机制

图5为在700℃下持久拉伸的位错变形形貌，可以发现，在持久应力载荷从高到低的过程中位错的变形机制也发生了变化，载荷为550MPa和425MPa时，是绕越机制起主导作用，即是位错绕过γ′相形成位错环，如图5a、b。当载荷为400MPa时，位错对γ′相进行了切割，如图5c，所以此时的变形机制主要为切割机制。以上可知GH2107合金在700℃的持久实验中，随着加载应力的变化，合金的变形机制也发生了变化，载荷由高至低的过程中，变形机制由绕越机制向切割机制转变。

变形机制的改变除了跟加载应力变化大小有关外，可能与持久拉伸的时间有关。因为在大应力加载下，持久断裂的时间很短，而在较小应力加载下，持久断裂时间成倍增长。持久断裂时间的延长给位错切割提供了充足的时间。在550MPa、425MPa和400MPa的加载下持久寿命分别为：2.25h、156h和378h。因此，GH2107合金持久拉伸变形机制主要与持久加载应力和持久寿命有关。

(a)550MPa

(b)425MPa

(c)400MPa

3结论

(1)标准热处理态下的GH2107拉伸强度随试验温度的升高而下降，塑性反之。在700℃时强度回升出现一个拐点。

(2)合金拉伸断口的断裂方式由室温的沿晶断裂向高温的穿晶断裂转变。

(3)持久试验中，可以通过做LMP图来预测合金的持久寿命，可得在200MPa载荷下，合金持久寿命可以达到十万小时，远高于同类别的LTES700R合金。

(4)合金在由高持久应力转向低应力的持久应力中，位错的切割机制由绕越γ′相转为切割γ′相。

参考文献：

[1]黄乾尧，李汉康.高温合金[M].北京：冶金工业出版社，2004.

[2]郭建亭.高温合金在能源工业领域中的应用现状与发展[J].金属学报，2010，46(5)：513-527.

[3]郭建亭.高温合金材料学[M].下册.北京：科学出版社，2008：80.

[4]Seyed A S,Nategh M I,Seyed M Z.Tensile deformation mechanisms at different temperatures in the Ni-base superalloy GTD-111[J].Journal of Materials Processing Technology,2004,155(11):1900-1904.

[5]Zhao K C,Jin J Y,Xiao F S,et al.Tensile property and deformation behavior of a directionally solidified Ni-base superalloy[J].Materials Science and Engineering,2010,527(11):3010-3014.

[6]Kim L S,Choi B G,Seo S M,et al.Influence of heat treatment on microstructure and tensile properties of conventionally cast and directionally solidified superalloy CM247LC[J].Materials letters,2008,62(3):1110-1113.

[7]Lian Z W,Yu J J,Sun X F,et al.Temperature dependence of tensile behavior of Ni-based superalloy M951[J].Materials Science and Engineering,2008,489(8):227-233.

[8]Guanghai Bai,Jinshan Li,Rui Hu,et al.Effect of temperature on tensile behavior of Ni-Cr-W based superalloy[J].Materials Science and Engineering,2011,528(2):1974-1978.

[9]Lijie Chen.Tensile creep behavior and strain-rate sensitivity of superalloy GH4049 at elevated temperatures[J].Materials Science and Engineering,2010,527(2):1120-1125.

(责任编辑：马金发)

Study on Mechanical Properties in GH2107 Superalloy

YANG Cheng，WANG Haiqiang，XIAO Xuan

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

Abstract：Tensile and stress rupture test was used for the Ni-Fe base superalloy of GH2107 in standard heat treatment.The fracture mechanism is from intergranular to transgranular at indoor temperature and high temperature,the yield strength has a significant rebound at 700℃.The LMP curve of the creep test shows an excellent rupture property which can reach 100000h at 200MPa.

Key words：GH2107;superalloy;mechanical properties;fracture

中图分类号：TG359

文献标志码：A

文章编号：1003-1251(2016)01-0045-05

作者简介：杨成(1989—)，男，硕士研究生；通讯作者：肖旋(1966—)，女，副教授，工学博士；研究方向：高温合金。

收稿日期：2014-11-24