GH4169G合金零件异常腐蚀区缺陷分析

刘巧沐，黄顺洲，陈玉龙，王春健，裴会平

(中国航发四川燃气涡轮研究院，成都610500)

1 引言

GH4169G合金是我国在优质GH4169合金成分的基础上，采用P、B微合金复合强化方法发展而成的一种具有自主知识产权的先进镍基高温合金。其以面心立方的γ′相 Ni3(Al、Ti、Nb)沉淀强化，在保持GH4169合金优异性能的同时，将使用温度从650℃提高至680℃，且在680℃时不降低其力学性能与工艺性能[1-5]。因此，GH4169G合金被广泛应用于制造航空发动机压气机整体叶盘、轴颈及低压涡轮盘等大载荷零件[2-5]。

对于GH4169G合金零件，尤其是转动件，其冶炼工艺、热成形工艺及热处理等关键过程决定其组织和性能[4-8]。某项目中，三联冶炼的GH4169G合金棒材在检验、复验合格后，经等温锻造成型锻件毛坯，再经完全热处理、腐蚀、粗加工、水浸探伤、质量一致性检验合格后交付。然而，某炉号GH4169G合金锻件毛坯在粗加工、去应力热处理、精加工后，在全面腐蚀检查工序时发现零件外表面出现异常腐蚀区。本文针对实际生产中零件全面腐蚀工序发现的白斑、氧化物等缺陷进行了分析与探讨，以期为进一步提高GH4169G合金零件质量、更好地理解和认识GH4169G合金的应用积累数据。

2 分析方法

首先采用接触法对零件进行超声探伤。完成超声探伤后，为了不破坏异常腐蚀区，先采用线切割方法切下异常腐蚀区，再将零件内外表面重新打磨，进行低倍擦拭腐蚀。腐蚀剂采用HCl：H2SO4：CuCl2=500 ml：35 ml：150 g组成的混合溶液，腐蚀时间 60～120 min。

在存在异常腐蚀区的部位切片，过异常腐蚀区切开，制备成金相试样，采用光学显微镜、扫描电子显微镜对缺陷的组织和成分进行分析。然后，将试片的异常腐蚀区进行抛磨和腐蚀，观察异常腐蚀区的面积，并利用能谱仪对其化学成分进行分析。

3 分析与讨论

3.1 探伤

因零件已基本完成加工且型面较复杂，不适合采用水浸超声探伤。采用接触法超声探伤，信号显示无异常。

3.2 低倍组织

经质量复查，GH4169G合金棒材及其锻件毛坯在三联冶炼、热处理和检验过程中均无异常。切下异常腐蚀区(图1)后，对零件内、外表面再次进行全面腐蚀，结果表明其余部位低倍组织均匀，未见异常(图 2)。

图1 异常腐蚀区宏观形貌Fig.1 The macroscopic morphology of the abnormal corrosion spots

3.3 异常腐蚀区缺陷类别判定

采用金相显微镜对异常腐蚀区切片表面进行观察，发现表面存在椭圆形黑色区域(图3)。采用扫描电子显微镜对黑色区域进行分析，发现该区域整体呈现出伤疤状形貌(图4(a))。图4(a)中A点和B点的能谱分析结果如图4(b)、图4(c)所示，A点和B点的主要成分为C和O，并含有少量Ca和Mg。同时，在图4(a)视场的周围区域分布的圆形黑点(图4(d))的主要成分则为C、N、O，并含有少量Ca。

图2 切除异常腐蚀区后零件表面的腐蚀形貌Fig.2 The macroscopic morphology of the part surface after removing the abnormal corrosion spots

图3 异常腐蚀区切片上存在的黑色区域Fig.3 The black zones on the slice of abnormal corrosion spots

将图3中异常腐蚀区表面黑色区域用线切割方法切开，并将切割面研磨制样腐蚀，观察该黑色区域沿厚度方向的组织。由图5和图6可知，试样横截面组织整体均匀，但在试样截面浅表对应异常腐蚀区表面黑色区域的位置存在一条浅黑色粗晶条带。与周围均匀分布的晶粒组织相比，该浅黑色粗晶条带区为晶粒粗大的混晶区（图6），条带宽约3 590.0 μm，厚度最大处约375.0 μm。混晶区中粗晶组织的平均晶粒度约5级。混晶区周围为均匀细小的细晶组织，平均晶粒度约12级。

图4 图3中黑色区域表面形貌及化学成分Fig.4 The surface morphology and the chemical components of the black zone in Fig.3

图5 图3中黑色区域截面宏观形貌Fig.5 The cross section macroscopic morphology of the black zone in Fig.3

图6 图5中黑色区域高倍组织Fig.6 The microscopic morphology of the black zone in Fig.5

分别对混晶区和正常组织区随机选取三个位置进行能谱分析，得到元素在不同区域的分布(取平均值)，结果见表1。由表可知，与正常组织区域相比，混晶组织的Nb和Ti的含量均小于正常区域，由此可确定混晶区域为白斑[9-10]，即异常腐蚀区为白斑缺陷。由前所述，白斑区平均晶粒度约5级，正常组织平均晶粒度约12级，二者的平均晶粒度偏差超过了标准规定的1.5级[10]。

表1 正常区和混晶区的元素分布(质量分数) %Table 1 The components of the normal structure and the mixed grain structure

3.4 白斑类别判定

在图5和图6的白斑区截面高倍组织中，发现了零星分布的富Ca和富Mg夹杂颗粒。夹杂颗粒尺寸较小(约1.5 μm)，其形貌及能谱分析结果如图7所示。

图7 白斑中夹杂颗粒形貌和化学成分Fig.7 The morphology and the components of the inclusive particles in the white spots

将带白斑缺陷的异常腐蚀区的切片，沿白斑位置处的外表面磨光腐蚀，肉眼观察该区域呈白亮金属光泽。白斑区域呈长约14.5 mm、最宽处约3.7 mm的类似虫状的长条形(图8)，其长度超过了标准中规定的8.0 mm的最大长度[10]。

图9为金相试样白斑区域表面在光学显微镜下得到的金相照片的合成图片。可见，虫状白斑区外表面低倍组织与其横截面的低倍组织(图6)一样，均以白色的块状相为主，并且在白斑区仍可发现离散分布的富Ca、富Mg夹杂颗粒(图10)。

图8 白斑区表面宏观形貌Fig.8 The surface macroscopic morphology of the white spots

图9 白斑区表面低倍组织Fig.9 The surface macroscopic structure of the white spots

图10 白斑中夹杂物表面形貌及化学成分Fig.10 The surface morphology and the components of the inclusions in the white spots

综上所述，该异常腐蚀白斑区横截面和表面高倍组织致密、无孔洞和裂纹，虽存在离散分布的富Ca和富Mg氧化物颗粒，但未见夹杂物聚集，因此基本确定该白斑缺陷非“脏”白斑，为“干净”白斑[9-11]。

3.5 缺陷处理

根据文献[9-10，12]可知，GH4169合金中白斑对室温和高温拉伸性能影响不大，但对疲劳性能存在较大影响。经本文静强度评估结果可知，该零件白斑区部位最大等效应力约为704 MPa，满足静强度要求。再分别采用材料修正方法(根据GH4169G合金正常数据与相关文献[10，12]提供的相近材料相应性能数据，外推得到GH4169G合金白斑区力学性能数据)和应力修正方法(将白斑区应力提高30%后结合正常材料数据估算零件低循环疲劳寿命)进行低循环疲劳寿命评估，发现零件白斑区部位最大等效应力均小于GH4169G合金的屈服强度，因此带白斑缺陷零件的低循环疲劳寿命可满足要求。带白斑缺陷的螺栓孔部位经两种修正方法得到的疲劳寿命相当(约2 200个循环)，但与无缺陷的螺栓孔相比疲劳寿命下降了约40%。

综合上述强度类比评估可知，该带白斑缺陷零件满足基本要求。建议该批GH4169G合金零件让步投入后续工序；试验过程中加强监控，试验后分解过程加强检查。

最终阶段性试验结果表明，带白斑缺陷零件完成了阶段性试验任务，分解检查也未发现由此导致的损伤。

4 结论

针对生产中GH4169G合金零件低倍全面腐蚀时出现的异常腐蚀区，采用光学显微镜、扫描电子显微镜及能量散射谱，对正常区域和异常腐蚀区的宏观、微观组织形貌和化学成分进行了对比分析，得出以下主要结论：

(1)该零件的异常腐蚀混晶区为白斑缺陷，平均晶粒度约5级，与零件正常组织(平均晶粒度约12级)的平均晶粒度偏差超过了标准规定的1.5级。白斑区长度(约14.5 mm)超过了标准最大长度规定。但该白斑区高倍组织致密，无孔洞和裂纹等，且未见夹杂物聚集，由此确定为“干净”白斑。

(2)该带白斑缺陷零件的静强度和低循环疲劳寿命满足阶段性试验任务要求，且阶段性试验后分解检查未发现异常。

(3)本研究在工程上可对GH4169G等高温合金白斑缺陷的分析和处理提供参考，但仍需根据所分析零件的温度、受力等工况进行详细分析。