GH4175合金固溶过程中γ相晶粒长大与γ′相回溶规律研究
2022-04-15郭浩坤罗皎张志刚
郭浩坤，罗皎，张志刚
GH4175合金固溶过程中γ相晶粒长大与γ′相回溶规律研究
郭浩坤，罗皎，张志刚
（西北工业大学 材料学院，西安 710072）
研究固溶处理工艺参数对GH4175合金微观组织演化的影响。对挤压态的GH4175镍基高温合金进行亚固溶处理，通过定量分析，明确不同固溶处理制度对合金γ相晶粒尺寸、γ′相尺寸和体积分数的影响规律。合金在1 145～1 160 ℃固溶60 min时，γ相晶粒尺寸从6.58 μm长大到32.08 μm，γ′相尺寸从1.20 μm减小到1.14 μm，γ′相体积分数由5.25%下降到0.53%；加热温度为1 155 ℃、保温时间为15～ 120 min时，γ相晶粒尺寸从7.76 μm长大到34.10 μm，γ′相尺寸从1.07 μm长大到1.56 μm，γ′相体积分数由2.84%下降到1.37%。随着加热温度的升高和保温时间的延长，γ相晶粒尺寸增大，γ′相的体积分数降低，γ′相尺寸随加热温度的升高而减小、随保温时间的延长而增大。加热温度超过1 150 ℃时，γ′相发生不连续回溶，晶粒的长大速度加快。
GH4175合金；固溶处理；微观组织演化；γ′相颗粒；定量分析
镍基高温合金因具有高强度、高断裂韧性、耐高温和耐腐蚀等优异特性，在航空航天发动机和各类燃气轮机中有广泛的应用[1-2]。随着航空航天工业的快速发展，航空发动机推力和推重比不断增大，涡轮入口温度不断提高，对合金的组织性能调控提出了更高的要求[3]。热处理是调控高温合金微观组织、提高合金性能的重要手段，分为固溶和时效2个过程。在镍基高温合金的固溶处理过程中，微观组织演化对固溶工艺参数非常敏感[4]。对于涡轮盘用沉淀强化型高温合金，热处理过程涉及晶粒长大、晶界初生γ′相的回溶或粗化、晶内的亚微米级的二次γ′相及纳米级三次γ′相的形核析出、长大和粗化等一系列复杂的科学问题[5-7]。
明确镍基高温合金热处理过程中的微观组织演化对指导控制涡轮盘组织和性能有着重要意义，因此国内外研究者们对热处理过程中微观组织演化规律以及机制有广泛的研究。Ruan等[8-9]研究了Inconel 718合金在热处理过程中的相变和晶粒长大行为，并总结了固溶时γ′相的回溶规律，发现晶粒随着γ′相回溶迅速长大，证实了晶界附近Nb和N的扩散分别控制了NbC和TiN的粗化。Moore等[10]研究了625镍基高温合金在不同加热温度下的晶粒长大行为，研究表明，合金中的溶质会阻碍晶界迁移，而晶界扩散是合金晶粒长大的主导机制。Singh等[11]研究了René 88DT合金在1 150 ℃固溶处理30 min后，以不同冷却速率连续冷却时γ′相的析出规律，研究表明，以较快速率连续冷却时，γ′相的尺寸呈现单峰分布，而以24 ℃/min缓冷时，γ′相尺寸则出现多峰分布特征，其中，首先析出的较大块γ′相的成分更接近化学平衡成分，而次生的小块γ′相的成分偏离化学平衡成分。吕少敏[12]研究了GH4151合金等温固溶时的微观组织演化规律，发现在加热温度为1 100～1 140℃时，随着温度升高，晶界处初生γ′相不同程度地均匀回溶，γ′相钉扎晶界的作用逐渐减弱，晶粒的生长速率增加且均匀长大，但当合金在1 150 ℃和1 160 ℃时，初生γ′相大量不均匀回溶，失去初生γ′相钉扎作用，出现局部异常长大。
GH4175合金是一种γ′相体积分数较高的难变形高温合金，服役温度最高可达800 ℃，是涡轮机组循环发动机用高温合金的重要备选材料[13]。文中采用的试验材料为GH4175合金热挤压态棒材，合金晶界处存在大量的γ′相析出物，晶界处的γ′相和碳化物在固溶过程中对晶界迁移有钉扎作用，控制着合金γ相晶粒尺寸。文中开展不同加热温度和保温时间的等温固溶试验，研究γ′相的回溶与晶粒长大行为，阐明γ′相回溶程度对γ相晶粒尺寸的影响规律，为调控组织、提高GH4175合金的性能提供理论依据。
1 试验
1.1 材料
试验材料为挤压态的GH4175镍基高温合金，其主要化学成分见表1。GH4175合金的微观组织如图1所示，挤压态GH4175的初始组织由细小的γ相等轴晶粒和大量初生γ′相颗粒组成，在细小γ相晶粒的晶界处，大量的γ′相颗粒和碳化物呈现出短链状聚集的特征，γ相晶粒的尺寸为（1.53±0.16）μm，初生γ′相体积分数约为35%。根据示差扫描量热法的测量结果[14]，GH4175合金γ′相的全溶温度约为1180 ℃。
表1 GH4175合金的主要化学成分（质量分数）
Tab.1 Chemical composition of GH4175 superalloy (mass fraction) %
图1 供应态GH4175合金微观组织
1.2 方法
从110 mm的GH4175镍基高温合金挤压棒边缘取10 mm×6 mm×5 mm块状试样，采用KSL- 1400XA4型箱式热处理炉对试样进行亚固溶处理，以8 ℃/min的升温速率将高温炉加热至加热温度，温度达到后将块状试样放入炉中保温，最后在空气中冷却至室温。针对在γ′相全溶温度附近初生γ′相加速回溶的现象，文中研究在加热温度为1 145～1 160 ℃、保温时间为15～120 min的固溶制度下，γ相长大和初生第二相的回溶演化规律。
使用240#～2 000#水砂纸逐级打磨固溶处理后的试样，直至试样表面没有明显划痕，使用机械磨抛至表面光亮后进行化学腐蚀，其中用于观察和定量γ晶粒的试样在100 mL CH3OH+100 mL HCl+50 g CuCl2溶液中进行化学腐蚀，而用于观察和定量γ′相的试样，则采用针对基体相的电解腐蚀，利用Struers TenuPol-5型电解抛光机进行电解腐蚀，腐蚀液为体积比为1︰9的磷酸水溶液，抛光电压为1.5 V，腐蚀时间为5 s，经腐蚀的试样中析出相较为明亮，而基体被腐蚀后呈黑色。试样制备完成后采用Leica DMI3000M光学显微镜观察GH4175合金热处理后的微观组织。
2 结果与讨论
2.1 加热温度
图2为保温时间为60 min、冷却方式为空冷时，加热温度对挤压态GH4175合金微观组织的影响。图3为对应的γ相晶粒尺寸定量结果，图4为不同加热温度下γ相晶粒尺寸。将图1的原始组织与图2a中1 145 ℃固溶处理后的微观组织进行对比分析，发现固溶后的γ相晶粒发生了长大，晶界处的初生γ′相的含量较初始组织变少，初生γ′相分散在晶界处，不再呈短链状在晶界处富集。图2b展示了挤压态GH4175合金1 150 ℃保温60 min的微观组织，与图2a相比，1 150 ℃固溶时γ相等轴晶粒尺寸更大。结合图3的γ相晶粒尺寸定量结果，在1 145 ℃和1 150 ℃固溶60 min时，γ相晶粒平均尺寸分别从初始的1.53 μm增大到6.58 μm和12.45 μm，这是由于在多晶材料中，晶界是一种面缺陷，较晶粒内部能量更高，因此在热处理作用下，为了降低系统的自由能，发生晶界迁移使晶粒长大。由图2c和d可知，在加热温度高于1 150 ℃时，随着加热温度的上升，晶粒的生长出现了较明显的加速，晶粒内部可以观察到孪晶组织，并且在晶粒内部出现了很多γ′相，结合定量结果分析，加热温度为1 155 ℃和1 160 ℃的γ相晶粒平均尺寸分别为17.57 μm和32.08 μm，这说明在1 155 ℃和1 160 ℃固溶时，由于接近γ′相全溶温度，γ′相发生不连续回溶，对晶界迁移的钉扎作用减弱，晶粒的尺寸加速长大，使原本在细小γ晶粒晶界处的γ′相出现在了晶粒内部。
图2 保温时间为60 min，不同加热温度对挤压态GH4175合金微观组织的影响
图3 保温时间为60 min时，加热温度对挤压态GH4175合金γ相晶粒尺寸的影响
图4 保温时间为60 min时，不同加热温度对挤压态GH4175合金中γ相晶粒尺寸分布的影响
图5为保温时间为60 min、冷却方式为空冷时，加热温度对挤压态GH4175合金中γ′相分布的影响。图6为对应的γ′相体积分数和尺寸的定量结果，图7为不同加热温度下γ′相的尺寸分布。对比图1初始组织和图5a固溶处理后组织中的γ′相组织特征，1 145 ℃固溶60 min时，原本在晶界处呈短链状分布的γ′相发生回溶后，演化为相对较为弥散的γ′相小颗粒，随着加热温度从1 145 ℃上升到1 150 ℃，γ′相的回溶加快，结合图6和图7定量结果可知，这个过程中，初生γ′相的平均尺寸变化较小，但尺寸小于0.5 μm和大于2 μm的γ′相颗粒所占比例减少，初生γ′相的体积分数仅从5.25%下降到5.08%，这是因为升高加热温度时，较小的γ′相颗粒回溶加快更加明显。由图5c和d可知，加热温度为1 155 ℃和1 160 ℃时，初生γ′相发生了快速回溶，晶界处的链状γ′相颗粒几乎全部发生了回溶，剩余少量的初生γ′相不再呈团簇状聚集，原本尺寸较大的γ′相颗粒也发生了回溶，对应的γ′相体积分数分别下降到1.76%和0.53%，γ′相的平均尺寸分别由1 150 ℃固溶时的1.19 μm减小到了1.16 μm和1.14 μm，尺寸小于0.5 μm和大于2 μm的γ′相颗粒占比上升。由此可见，加热温度是γ′相回溶的关键因素，提高加热温度对γ′相回溶有显著的促进作用。
图5 保温时间60 min，加热温度对挤压态GH4175合金中初生γ′相分布的影响
图6 保温时间为60 min时，加热温度对挤压态GH4175合金中初生γ′相尺寸和体积分数的影响
综上所述，挤压态GH4175合金在亚固溶条件下，加热温度为1 145、1 150、1 155、1 160 ℃，保温60 min等温固溶时，合金中初生γ′相出现不同程度回溶，初始的挤压态GH4175合金晶界处存在着大量γ′相，有钉扎晶界、控制合金晶粒大小的作用，因此加热温度对γ相晶粒尺寸具有显著的影响，加热温度在1 150 ℃以下时，随着加热温度的升高，元素扩散作用加强，γ′相回溶加快，对晶界的钉扎作用减弱，导致γ相晶粒尺寸变大；当加热温度超过1 150 ℃时，接近γ′相全溶温度，γ′相发生不连续回溶，失去对晶界的钉扎作用，晶粒迅速长大。
2.2 固溶保温时间
图8为加热温度为1 155 ℃、冷却方式为空冷时，固溶处理保温时间对挤压态GH4175合金微观组织的影响。图9为合金γ相晶粒尺寸定量结果，图10为不同保温时间的γ相晶粒尺寸分布。图8a为挤压态GH4175合金在1 155 ℃保温15 min的微观组织，相比于挤压态初始组织，此时γ相晶粒发生了长大，但初生γ′相依然主要聚集在晶界处，对晶界的迁移造成了阻碍，并且在晶粒内部可以观察到部分退火孪晶。由图8b可知，当固溶保温时间增加到30 min时，γ相晶粒尺寸较保温15 min更大，结合图9中定量结果，此时γ相晶粒尺寸由7.76 μm增大到9.45 μm，在晶粒内部出现了许多初生γ′相，可知随着保温时间的增加，部分γ′相随晶界的迁移出现在了长大晶粒的内部。晶粒内部出现了更多的退火孪晶，其中大部分以互相平行的孪晶面为界横贯整个晶粒，退火孪晶是通过晶界迁移过程中基体内堆垛层错的生长形成的[16]。由图8c和d可知，随着固溶时间的继续延长，γ′相的含量减少并逐渐弥散分布于晶粒内部，γ相晶粒尺寸出现了加速长大的现象，在保温60 min和120 min时分别为17.93 μm和34.10 μm，并且在该温度下，保温时间达到120 min时γ相晶粒尺寸仍有继续长大的趋势，此时合金的晶粒度已经超出了此类合金服役时的晶粒度范围。晶粒加速长大中的局部异常长大主要是因为在1 155 ℃固溶时，γ′相回溶加快，晶界的迁移受到阻碍较少，且在此温度下元素的扩散作用较强。由此可见，当加热温度接近γ′相全溶温度时，适当的保温时间对控制γ相晶粒尺寸十分关键。
图7 保温时间为60 min时，不同加热温度对挤压态GH4175合金中初生γ′相尺寸分布的影响
图8 加热温度为1 155 ℃时，不同保温时间对挤压态GH4175合金微观组织的影响
图9 加热温度为1 155 ℃时，保温时间对挤压态GH4175合金γ相晶粒尺寸的影响
图10 加热温度为1 155℃时，固溶处理保温时间对挤压态GH4175合金中γ相晶粒尺寸分布的影响
图11为加热温度为1 155 ℃时，保温时间对挤压态GH4175合金中初生γ′相的影响。图12为对应的初生γ′相体积分数和尺寸的定量结果，图13为不同固溶保温时间下γ′相的尺寸分布。由图11a可知，在1 155 ℃固溶15 min时，晶界处γ′相较初始状态发生了大量回溶，γ′相体积分数由35%降低到了2.84%，而尺寸较大的γ′相颗粒保留了挤压后的不规则形状，而较小的γ′相颗粒大多呈近球形。由图11b可知，当保温时间增加到30 min时，随着回溶的继续，γ′相颗粒的数量发生了减少，颗粒平均直径的变化较小，γ′相体积分数由2.84%降低到了2.53%。由图11c可知，当保温时间增加到60 min时，γ′相的含量继续降低，体积分数降低到了1.76%，其中尺寸小于1 μm的γ′相颗粒数量减少更多，而较大的γ′相颗粒也更接近球形，这主要是因为在γ′相回溶的过程中，γ/γ′相界面元素扩散速率与界面的曲率相关，在小颗粒的γ′相界面处以及不规则γ′颗粒的尖角处相变速率较快，γ′相随着固溶时间的增加逐渐表现出小颗粒回溶、少量大颗粒粗化的规律[17]。由图11d可知，当固溶保温时间为120 min时，γ′相进一步发生熟化，小尺寸γ′相颗粒进一步回溶，保留下的初生γ′相颗粒平均尺寸为1.56 μm，而γ′相体积分数仅由1.76%降低到了1.37%，可知在保温时间为60 min到保温时间为120 min的过程中，γ′相的回溶速度降低，γ′相体积分数逐渐趋于平衡。
图11 加热温度为1 155 ℃时，不同保温时间对挤压态GH4175合金中初生γ′相的影响
图12 加热温度为1 155℃时，保温时间对挤压态GH4175合金中初生γ′相尺寸和体积分数的影响
由以上分析可以看出，GH4175合金在加热温度为1 155 ℃等温固溶时，随着保温时间的增加，γ′相的回溶呈先匀速再减慢的规律，对晶界迁移的钉扎作用减少，在γ′相减少和元素扩散加快的共同作用下，γ相晶粒尺寸持续增大。因此，在选择固溶制度时，固溶保温时间的选择应在γ′相充分回溶的前提下避免晶粒过度长大。
基于2.1节和2.2节的分析，文中初步确定了GH4175合金的固溶处理制度，固溶加热温度为1 155～1 160 ℃、固溶保温时间为60 min时，合金的γ相晶粒度为7—8级，初生γ′相回溶已较为充分，符合此类镍基高温合金涡轮盘对组织的要求。
图13 加热温度为1 155 ℃时，固溶处理保温时间对挤压态GH4175合金中初生γ′相尺寸分布的影响
3 结论
研究了固溶处理工艺参数对挤压态GH4175合金微观组织的影响规律，通过不同加热温度和保温时间的亚固溶试验，研究了γ相晶粒长大规律与晶界初生γ′相的回溶规律。主要结论如下。
1）GH4175合金在1 145 ℃和1 150 ℃等温固溶时，晶界处的初生γ′相发生均匀回溶，随着加热温度的升高，晶粒的生长速度增加且均匀长大；在1 155 ℃和1 160 ℃固溶时，由于接近γ′相全溶温度，γ′相发生不连续回溶，对晶界迁移的钉扎作用减弱，晶粒长大的速度加快。
2）随着固溶保温时间的增加，挤压态试样晶界处短链状的γ′相逐渐回溶，γ′相随着晶界的迁移弥散分布于晶粒中和晶界处，γ′相颗粒发生熟化，小尺寸的颗粒优先回溶，平衡时的γ′相为尺寸较大的近球状颗粒。
3）初步选定了GH4175合金的固溶处理制度为加热温度1 155～1 160 ℃、固溶保温时间60 min的亚固溶。
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Grain Growth Behaviors of γ Phase and Re-dissolution of γ' Phase during Solution Treatment of GH4175 Alloy
GUO Hao-kun, LUO Jiao, ZHANG Zhi-gang
(School of Materials Science and Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China)
The work aims to study the effects of solution treatment parameters on microstructure evolution of GH4175 alloy. The extruded GH4175 nickel-base superalloy was subject to sub-solution treatment. The effects of different solution treatment schedules on the grain size of γ phase, the size and volume fraction of γ' phase were determined through quantitative analysis. The results showed that the grain size of γ phase increased from 6.58 μm to 32.08 μm, the size of γ' phase decreased from 1.20 μm to 1.14 μm and the volume fraction of γ' phase decreased from 5.25% to 0.53% after treated at 1 145～1 160 ℃ for 60 min. When the heating temperature was 1 155 ℃, the grain size of γ phase increased from 7.76 μm to 34.10 μm, the size of γ' phase increased from 1.07 μm to 1.56 μm, and the volume fraction of γ' phase decreased from 2.84% to 1.37% with the holding time increasing from 15 min to 120 min. With the increase of heating temperature and holding time, the grain size of γ phase increases, while the volume fraction of γ' phase decreases. The size of γ' phase decreases with increase of heating temperature and increases with the increase of holding time. When the heating temperature exceeds 1 150 ℃, the discontinuous dissolution of γ' phase occurs, leading to the acceleration of grain growth.
GH4175 superalloy; solution treatment; mircrostructure evolution; γ' phase particles; quantitative analysis
10.3969/j.issn.1674-6457.2022.04.004
TG132.3+2
A
1674-6457(2022)04-0028-10
2021-12-21
陕西省杰出青年科学基金（2020JC-17）；中央高校基本科研业务费人才团队培养类项目（3102019PY007）；凝固技术国家重点实验室（西北工业大学）自主研究课题（2019-QZ-04）
郭浩坤（1997—），男，硕士生，主要研究方向为高温合金微观组织演化。
罗皎（1981—），女，博士，教授，主要研究方向为钛合金精密塑性成形理论与技术。
责任编辑：蒋红晨
