第22卷第11期2010年11月钢铁研究学报Jo urnal o f Iro n and Steel Resear chV o l.22,N o.11N o vember 2010作者简介:林 奔(1986 ),男,硕士生; E mail:linben 860620@ ; 收稿日期:2009 09 28镍基高温合金GH4133B 长期时效后组织演化分析林 奔1, 王晓辉1, 郑 磊1, 蒙肇斌2, 董建新1, 张麦仓1(1.北京科技大学材料科学与工程学院,北京100083; 2.钢铁研究总院高温材料研究所,北京100081)摘 要:采用SEM 、EDS 和T her mo Calc 热力学计算等方法,分析了镍基高温合金G H4133B 在不同时效时间和时效温度下的组织演化规律。

从而对改善合金的服役性能提供理论依据。

试验结果表明:随着时效时间的延长和时效温度的升高,晶粒尺寸无变化,碳化物种类、分布和数量变化均不明显;长期时效后的 强化相的尺寸较时效前都有所增加,尤其800!时长大最明显,形状也由球形颗粒变为方形颗粒并出现一定的取向性;800!时效500h 以上或更长时间后,合金中开始出现少量针状的 相在晶界及一次碳化物附近析出。

关键词:镍基高温合金;G H4133B;长期时效;热力学计算中图分类号:T G 142 7 文献标志码:A 文章编号:1001 0963(2010)11 0034 05Evolution of Microstructure of Ni Based SuperalloyGH4133B After Long Term AgingLIN Ben 1, WANG Xiao hui 1, ZH ENG Lei 1, M ENG Zhao bin 2,DONG Jian xin 1, ZH ANG M ai cang 1(1.Schoo l of M aterials Science and Engineering ,U niv ersit y of Science and T echno log y Beijing ,Beijing 100083,China;2.H ig h T em per at ur e M aterials Research Div ision,Central Iro n and St eel Research Institute,Beijing 100081,China)Abstract:N i based super alloy GH 4133B is a new sty le super alloy w hich dev elo ped by our ow n nation.T he rela tio nship bet ween the evolution o f micro structur e of Ni based superallo y G H4133B and ag ing t ime and ag ing tem per ature w as studied by means o f SEM ,EDS and T hermo Calc soft war e.T his art icle can g iv e theo retical suppo rt to improv ement the active perfo rmance.T he results sho w that w ith the incr ease of ag ing t ime and aging temper a ture,the g rain size do esn t chang e and the change o f the categ or y,distr ibut ion and quantity of carbide is not dis tinct.During lo ng ter m ag ing , phase gr ow s,especially under 800!,w hich the par ticles chang ed into squar es instead o f spheres o n a fix ed orientat ion.U nder 800!for 500hours o r even lo ng er t ime aging ,t her e will be needlelike phase precipit at ing near the g rain boundary and prima ry car bide.Key words:N i based superallo y;GH 4133B;long term ag ing;thermodynamic calculation含铌镍基高温合金GH 4133B 是我国自主研制开发的一种新型 沉淀硬化高温合金,是在GH 4133(即GH 33A )合金基础上添加微量合金元素镁、锆并改变了冶炼和模锻工艺而产生的;主要用于制造发动机中的涡轮盘、承力环和叶片,长期使用温度可达750![1]。

目前我国主要歼击机、民航机的喷气发动机涡轮盘都使用了该合金[2]。

随着发动机性能的提高以及工作应力和温度等条件的不断恶化,GH 4133B 合金在使用过程中的组织稳定性成为了关注的热点问题。

而目前还缺乏对该合金长期时效后组织和性能的研究;笔者通过热力学计算和微观组织观察分析了合金长期时效过程中的组织演化规律及其本质原因,研究结果可为评价和改进合金的服役性能提供试验和理论依据。

1 试验方法本试验所用合金经真空冶炼后浇铸成5kg 的铸锭,然后锻制成 15m m 的棒材,化学成分(质量分数,%)为:C 0 062、Cr 20 75、A l 0 84、T i 2 69、Nb 1 48、Fe 0 6、Si 0 62、B 0 008、M g 0 01、Zr 0 03、Ni 余量。

合金棒材试样经标准热处理后(1080!∀8h,空冷+750!∀16h,空冷),分别在600、700和800!三个温度下进行100、500和1000h 的长期时效。

利用Thermo Calc 热力学计算分析了GH 4133B 合金平衡状态下可能存在的析出相,随后通过金相、SEM 和EDS 等方法,得出了不同时效时间和时效温度下的组织状态及各种典型析出相的特征。

2 试验结果与讨论2 1 标准成分的热力学计算分析利用T herm o Calc 计算软件与相应的镍基高温合金数据库对GH 4133B 合金进行热力学模拟计算,结果如图1和表1所示。

通过图1中的结果和表1数据可知,GH 4133B 合金的主要平衡相有 相、 相、MC 和M 23C 6碳化物及 相。

图1表明,该合金所对应的初熔和终熔温(a)全图; (b)局部放大图。

图1 GH4133B 合金各相析出量与析出温度的计算曲线Fig 1 C alculated dependences of precipitation phases on temperature (a)its partial magnif ication (b)表1 GH4133B 合金的析出相对应的平衡成分Table 1 C alculated chemical compositions ofequilibrium precipitation phases %析出相Ni Al T i Nb C Cr F e Si 72 280 301 000 66trace 23 761 220 8078 953 9710 185 11-1 590 110 09 77 170 7216 884 87-0 310 06-M 23C 62 43-tracetrace5 6791 690 21-度分别为1357和1301!,凝固温度区间为56!。

相的初始析出温度为946!;M 23C 6在低于891!时就开始析出。

为合金的主要强化相,碳化物M C 和M 23C 6所占的比例较小。

从图1中还可以看到,在796!时可能会有 相析出。

2 2 合金的显微组织分析对GH 4133B 合金不同时效时间和时效温度下的试样在光学显微镜和扫描电子显微镜下进行了组织观察。

光学显微镜组织观察的试样采用化学侵蚀方法(1 5g 的CuSO 4+40m L H Cl+20m L 酒精为侵蚀剂,时间1min),扫描电镜强化相和碳化物观察的试样采用电解抛光和电解侵蚀方法(电解抛光液的成分为20%H 2SO 4+甲醇,抛光时电压为30V,时间20s;电解侵蚀的腐蚀剂为Cr 2O 315g+150mL H 3PO 4+10mL H 2SO 4,电压5V,时间2~5s)。

2 2 1 GH 4133B 合金的基本组织状态图2(a)是GH 4133B 合金在600!下时效500h 后的光学金相组织。

可以看出晶粒尺寸较为均匀。

图2(b)是合金在700!下时效100h 后的SEM 照片,从图中可以看出:试样中存在着大量孪晶,有的是贯穿整个晶粒,有的则是开始于晶界,终止在晶内,这些孪晶都是退火孪晶。

(a)600!下时效500h 后的光学金相组织; (b)700!下时效100h 后的S EM 照片。

图2 GH4133B 长期时效后金相组织Fig 2 Microstructures of GH4133B superalloy after long term aging#35#第11期 林 奔等:镍基高温合金G H4133B 长期时效后组织演化分析GH 4133B 中奥氏体基体跟主要强化相 均属于面心立方结构,铌的加入使得合金的层错能较低[3],空位及原子的运动使得晶体内局部原子堆垛次序发生错排,形成层错。

因共格孪晶界的界面能小于大角度晶界的界面能,层错得以稳定存在构成孪晶核心。

堆垛层错的强化效果不随温度的升高而减弱,因此在高温合金的强化机制中占有很重要的地位。

退火孪晶的出现可以改变合金中裂纹扩展的方向,提高塑性变形功,延缓断裂过程,进而使合金低温下塑性和韧性得到提高[4]。

表2给出了GH 4133B 合金在不同温度下时效不同时间后的平均晶粒尺寸。

可见,不同温度和时间下时效后,平均晶粒尺寸没有明显改变。

表2 GH4133B 合金在不同时效温度和时效时间后的平均晶粒尺寸Table 2 Average grain size after long term aging atdiff erent temperatures and time !m100h500h 1000h 600!107101109700!108104112800!1051091102 2 2 强化相 分析相是镍基高温合金中最主要的强化相,与基体共格析出。