對標(biāo)鍛件性能指標(biāo)的增材制造GH4169熱處理工藝試驗(yàn)：寬區(qū)間固溶溫度調(diào)控析出相配比與晶粒尺寸，實(shí)現(xiàn)室溫650℃高溫拉伸及高溫持久綜合性能最優(yōu)配比研究

GH4169具有優(yōu)良的耐腐蝕性、良好的機(jī)械性能和焊接性能，被廣泛應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)、渦輪葉片以及燃燒室部件。GH4169是一種Ni基沉淀強(qiáng)化型高溫合金,含有多種合金元素，具有良好的綜合性能，650℃以下的屈服強(qiáng)度居變形高溫合金的首位，主要由基體、強(qiáng)化相和y'和8相和碳化物等組成[1]。相關(guān)研究表明[2],SLM成形GH4169合金中含有氣孔和未熔合等缺陷[3-5],且橫縱向存在差異，經(jīng)過熱等靜壓/熱處理技術(shù)可以消除內(nèi)部缺陷，已獲得廣泛應(yīng)用。

1、實(shí)驗(yàn)材料及方法

文章采用激光選區(qū)熔化成形設(shè)備打印,成形幅面為250mmx250mm,所用為GH4169合金,粉末元素范圍如表1所示。

實(shí)驗(yàn)用拉伸試棒尺寸為標(biāo)準(zhǔn)試樣,按照《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分:室溫試驗(yàn)方法》GB/T228.1和《金屬材料拉伸試驗(yàn)第2部分:高溫試驗(yàn)方法》GB/T 228.2進(jìn)行。高溫持久所實(shí)驗(yàn)按照《金屬材料單軸拉伸蠕變試驗(yàn)方法》GB/T 20392024進(jìn)行。

實(shí)驗(yàn)采用不同的熱處理制度，研究不同固溶溫度(HT1:980℃-1h-Ar,HT2:1100℃-1h-Ar,HT3:1150℃-1h-Ar,HT4:1200℃-1h-Ar)對增材制造成形GH4169的組織和性能的影響，時(shí)效采用GH4169標(biāo)準(zhǔn)時(shí)效熱處理工藝，即720℃保溫8h，爐冷至620℃保溫8h。

表1 GH4169粉末化學(xué)成分(wt.%)

2、結(jié)果與分析

2.1金相組織

沉積態(tài)的金相組織,如圖1所示,圖1中組織為柱狀晶,豎向可以看出層與層之間的熔池底部,沉積態(tài)組織較為致密。經(jīng)過制度1熱處理后，組織中原有的掃路徑消失，僅可看到樹枝晶，如圖2所示。固溶溫度升高后，與制度1相比，組織變?yōu)榈容S晶，原有的枝晶組織消失,枝晶間的碳化物溶解,組織中僅可看見少量8相、y"和彌散分布的碳化物,如圖3所示。高溫固溶后,枝晶間的碳化物和富Nb脆性相更多的溶入固溶體中,并減輕了組織的偏析，合金成分更均勻，既強(qiáng)韌化了晶間組織,又增加了后續(xù)時(shí)效過程中析出y"的數(shù)量。制度3和制度4的金相組織，和制度2一致，同為等軸晶。

2.2力學(xué)性能

圖4(a)、圖4(b)分別為制度1~制度4的XY向和Z向室溫拉伸性能,可以看出室溫拉伸性能均高于鍛件指標(biāo)。

制度1~制度4的XY向650℃高溫拉伸性能和Z向650℃高溫拉伸性能，如圖5所示，可以看出制度1的XY向高溫延伸率不合格。與制度1相比，隨著固溶溫度的升高，強(qiáng)度降低，延伸率升高。制度2~制度4性能變化不大，但可以發(fā)現(xiàn)制度3的強(qiáng)塑性綜合性能最優(yōu)。

熱處理會(huì)消除組織中的一些脆性相，有利于更多的Nb形成γ"/γ'強(qiáng)化相，晶界上會(huì)析出大量的\8相，消耗大量Nb,這會(huì)造成后續(xù)時(shí)效過程中y"/y強(qiáng)化相的減少,導(dǎo)致變形過程中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力降低。塑性變形過程中強(qiáng)化相相對于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用是其主要強(qiáng)化方式，故高溫固溶后的GH4169強(qiáng)度相比于標(biāo)準(zhǔn)固溶時(shí)效態(tài)會(huì)有所降低，同時(shí)由于晶粒尺寸長大，細(xì)晶強(qiáng)化作用減弱，強(qiáng)度降低，延伸率升高，綜合力學(xué)性能最優(yōu)，金相組織致密無缺陷。

不同制度下的拉伸結(jié)果表明，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)固溶時(shí)效后的GH4169的強(qiáng)度最高，由于980℃固溶和雙時(shí)效后，組織在晶粒邊界及晶粒內(nèi)部均有δ相的形成，且有γ"和y析出。相比于制度1、制度2~制度4的組織中只在晶界處析出8相。同時(shí),由于制度2~制度4的溫度較高,雖然可以消除微觀組織偏析，但高溫會(huì)使得晶粒長大粗化，金相組織呈現(xiàn)等軸晶，因此強(qiáng)度降低、塑性升高。

圖6(a)GH4169高溫持久XY向性能,圖6(b)為Z向持久性能，結(jié)果顯示制度1的持久延伸率偏低，制度3持久延伸率最優(yōu)，制度3實(shí)現(xiàn)了增材制造GH4169持久延伸率的突破。

3、結(jié)論

綜上所述，與GH4169標(biāo)準(zhǔn)熱處理工藝相比，隨著固溶溫度的升高，材料的強(qiáng)度降低，塑性升高。當(dāng)固溶溫度高于標(biāo)準(zhǔn)熱處理的固溶溫度時(shí)，增材制造成形GH4169的金相組織為等軸晶，拉伸性能和持久時(shí)間均高于鍛件指標(biāo)。當(dāng)固溶溫度分別為1100℃、1150℃、1200℃時(shí)，增材制造GH4169的金相組織和拉伸性能變化不大，持久時(shí)間均大于50h，持久延伸率均高于3%。當(dāng)固溶溫度為1150℃時(shí)，增材制造GH4169的綜合力學(xué)性能最優(yōu)，高溫持久延伸率有極大地改善，實(shí)現(xiàn)了增材制造GH4169持久延伸率的突破。

參考文獻(xiàn)

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[5]鄧曉陽.熱處理對3D打印Inconel718合金組織和力學(xué)性能的影響研究[D].南昌:南昌航空大學(xué),2017.

（注，原文標(biāo)題：固溶溫度對增材制造GH4169組織和性能的影響_黃敏）