GH4169合金叶片叶身表面白条纹分析

2021-11-25汤浩李永斌张新强陈犇刘依依

金属加工(热加工) 2021年11期

汤浩，李永斌，张新强，陈犇，刘依依

中国航发贵州黎阳航空动力有限公司贵州贵阳 550000

1 序言

GH4169合金（相当于Inconel 718)是一种沉淀强化型Ni-Fe基高温合金，以γ奥氏体为基体，BCC结构的亚稳相γ''为主要强化相，正交晶系的δ相为稳定相。由于其在－253～650℃时具有优良的耐腐蚀、抗疲劳性能，以及良好的塑性、焊接性能，因此广泛用于航天转动部件[1，2]。某型机压气机转子叶片即为GH4169合金制造。该类叶片经腐蚀检查工序时，发现多批叶片叶身表面存在白条纹，为此我们系统地研究了叶片叶身表面白条纹形成的原因，并分析了白条纹对叶片疲劳寿命的影响。

2 检测

2.1 宏观及显微镜检查

该叶片叶身表面的白条纹均沿叶身纵向呈线性分布，与灰褐色基体分界明显。在三维视频显微镜下将白条纹放大观察，白条纹区域晶粒相对基体较为粗大，局部呈现金属光泽，在基体位置也可见弥散分布的白点，如图1所示。

图1 试验叶片叶身白条纹宏观特征

沿白亮状条纹所在平面磨制金相试样，在光学显微镜下观察，叶身基体及白条纹区域均未见夹杂物集聚、偏析特征。将试样腐蚀后观察，叶身组织呈混晶特征，白条纹区域为线性分布的粗晶聚集带，如图2所示。宏观而言，粗晶相对细晶更易被腐蚀，叶身经表面腐蚀工艺后，粗晶聚集带形成了线性浅腐蚀区，基体中弥散分布的大晶粒形成浅腐蚀白点。

图2 叶身表面组织特征

2.2 SEM技术检测

将金相试样放置在扫描电镜（SEM）下观察，结果表明：叶片叶身δ相为颗粒状+短棒状，主要沿晶界析出，晶内析出极少；白条纹区域δ相较为稀疏，基体位置的δ相较为密集，如图3所示。这是由于GH4169合金中δ相主要通过晶界的胞状反应，在晶界和孪晶界上非均匀析出[3，4]。基于镍基合金细化晶粒工艺（MinigrainTMProcessing），由于GH4169合金δ相钉扎晶界，阻碍了晶界扩展，使得晶粒生长受到阻碍，故δ相含量较多的区域，晶粒一般较为细小；反之，晶粒较为粗大[5，6]。

图3 试验叶片叶身电镜下δ相形貌特征

此外，在基体部位可观测到大量白块状析出物（见图3c），而白条纹区域则未见到此类析出物。分别对基体、白条纹区域、白块状析出物做能谱分析，结果见表1。能谱分析结果表明：白条纹区域未见异常元素，但wNb相比基体低约15%；白块状析出物是以Nb、Ti元素为主的碳化物，其中wNb约为66%。试验叶片原材料来源于真空感应熔炼+电渣重熔+真空电弧炉重熔的合金锭，此类合金锭在凝固过程中总是存在树枝状偏析[7]。对于GH4169合金，树枝间富Nb、Ti元素，枝干部位则贫Nb、Ti元素，由于这类偏析会遗传至材料成品中，形成粗细晶条带偏析、δ相与γ''相的条带偏析，所以在锻造过程中，这类偏析会一直存在。

表1 试验叶片能谱分析结果（质量分数）（%）

3 分析讨论

δ相是一种正交晶系的稳定相，其分子式为Ni3（Nb0.8Ti0.2）[8]。Nb不仅是δ相的主要组成元素，庄景云等[7]的研究也表明，随着Nb含量的增加，δ相的溶解温度随之升高，如图4所示。因此，GH4169合金中Nb含量决定了δ相的数量。试验叶片锻造原材料存在Nb偏析，致使锻件部分区域贫Nb，贫Nb区域δ相含量稀少，对晶界的钉扎作用较弱，形成了粗晶区。在锻造过程中，粗晶区域沿锻造流线分布，经腐蚀工序检查时，粗晶区域形成线性浅腐蚀区，宏观表现即为白条纹。

图4 Nb含量对δ相溶解温度的影响

GH4169合金中的主要强化相为BCC结构的亚稳相γ''，其分子式为Ni3Nb。δ相作为γ''的平衡相，两者分子式相似，主要组成元素均含有Nb。由于Nb偏析，试验叶片叶身基体位置析出以Nb元素为主的碳化物及大量δ相，必然消耗合金中过多的Nb，导致局部γ''相贫化，进而合金基体弱化，强度明显下降，为裂纹萌生和扩展提供通道[9]；白条纹区域δ相较为稀少，使材料具有缺口敏感性[7]，这对于转动零件是不允许的，因为这会是零件瞬间破裂的隐患。KOBAYASHI等[10]研究了Inconel718合金粗晶和细晶的高周疲劳性能：细晶材料中，在107周次下，疲劳强度是抗拉强度的51%，而粗晶材料在相同周次下，疲劳强度仅为抗拉强度的32%。洪班德等[11]的研究也表明，Inconel718合金沿晶界锯齿状分布的δ相可提高材料对裂纹沿晶扩展的能力，而粗晶试样的疲劳寿命只有细晶的约1/3。因此，沿叶身锻造流线分布的粗晶带，在叶片高频转动的情况下会成为疲劳裂纹的萌生源，降低叶片的疲劳寿命。