鑄造GH4169高溫合金具有高溫服役壽命長(zhǎng)、鑄造性能好、不需熱處理和相對(duì)低的成本等優(yōu)點(diǎn)，主要用于制造飛行器、艦艇和工業(yè)用燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪增壓器。但在鑄造GH4169高溫合金中，容易出現(xiàn)晶粒尺寸大并且鑄件包含氣孔、疏松等缺陷。疲勞壽命較為離散，尤其是在高周疲勞區(qū)(HCF)。這顯然影響該合金在渦輪增壓器中的應(yīng)用。目前有許多方法可以減小鑄造缺陷，但都不能將其完全消除。通過(guò)熱等靜壓(HIP)技術(shù)可以改善GH4169合金的蠕變和疲勞性能。HIP可以提高材料在蠕變和疲勞條件下強(qiáng)度的同時(shí)縮小蠕變性能的離散。

1、實(shí)驗(yàn)方法

疲勞測(cè)試試樣從直徑為20mm長(zhǎng)度為100mm的鑄棒上切割制得。試樣制備主要有3點(diǎn)考慮，從鑄造技術(shù)的角度，采用相同批次鑄件。所有棒料通過(guò)X射線無(wú)損探傷檢測(cè)，鑄件中缺陷尺寸小于該檢測(cè)方法的分辨極限0.5mm。試樣如圖1所示，標(biāo)距長(zhǎng)度為35mm，標(biāo)距直徑為5mm。試樣經(jīng)機(jī)加工和精磨，表面粗糙度Ra=0.4。熱等靜壓(HIP)試樣共制備25個(gè)。經(jīng)機(jī)加工的試樣在1000個(gè)大氣壓下1160℃加熱3h。冷卻速率為10℃/min，在Ar保護(hù)氣氛下冷卻至900℃后在空氣下繼續(xù)冷卻至室溫。

循環(huán)判定系數(shù)疲勞測(cè)試通過(guò)100kN諧振測(cè)試系統(tǒng)Amsler10HFP1478控制載荷在800℃下測(cè)試鑄造和HIP試樣在HCF區(qū)域疲勞性能。疲勞測(cè)試試樣分為兩組：平均應(yīng)力0MPa和平均拉伸應(yīng)力300MPa。在測(cè)試起始階段，平均負(fù)載保持在0MPa，在設(shè)定溫度800℃保溫2h。然后開(kāi)始平均應(yīng)力0MPa對(duì)稱應(yīng)力測(cè)試。在平均拉伸應(yīng)力300MPa測(cè)試時(shí)，在幾秒內(nèi)平均負(fù)載施加。在幾百次負(fù)載循環(huán)達(dá)到滿載振幅，加載頻率為115Hz。試樣加熱在電阻爐中進(jìn)行，測(cè)試時(shí)間內(nèi)試樣標(biāo)距長(zhǎng)度上溫度誤差為±1℃，標(biāo)距中心部分溫度梯度小于3℃/cm。通過(guò)極值統(tǒng)計(jì)軟件分析鑄造缺陷尺寸及其分布。通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察GH4169高溫合金中鑄造缺陷。金相試樣在軸向截面和橫截面制備，尺寸分別為5mm×20mm和直徑為5mm。共分析了25個(gè)不同位置界面，面積S0=1.83mm2。

2、實(shí)驗(yàn)過(guò)程

圖2所示為800℃鑄造試樣HCF疲勞壽命S-N曲線。對(duì)稱負(fù)載與300MPa拉伸平均應(yīng)力循環(huán)數(shù)據(jù)一同給出。可以看出S-N數(shù)據(jù)較為離散，其中對(duì)稱疲勞負(fù)載數(shù)據(jù)離散更為明顯。箭頭表示出局試樣。

與對(duì)稱疲勞負(fù)載相比，拉伸平均應(yīng)力的疲勞負(fù)載試樣S-N曲線向低應(yīng)力偏移。對(duì)于104次循環(huán)試樣偏移接近100MPa，并且隨循環(huán)次數(shù)增加偏移略有降低。通過(guò)疲勞斷口的形貌觀察可以看出所有情況下斷裂均起始于大的鑄造缺陷，如圖3。箭頭表示魚(yú)眼狀裂紋的邊界。

HIP試樣疲勞壽命實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4。對(duì)稱負(fù)載循環(huán)和300MPa拉伸平均應(yīng)力循環(huán)數(shù)據(jù)與鑄造試樣相同，均為離散分布。圖中實(shí)線和虛線為冪律擬合曲線。鑄造試樣和HIP試樣冪律擬合系數(shù)σa=AN-bf和判定系數(shù)R2列于表1中。HIP試樣斷口形貌觀察表明疲勞裂紋萌生方式與鑄造試樣相同，裂紋起始于鑄造內(nèi)部缺陷。圖5給出了在應(yīng)力振幅為250MPa循環(huán)106次后失效的試樣斷裂面示例。圖6中圈出了裂紋起始位置，包含起始于裂紋的復(fù)雜三向縮孔。箭頭指示的是孤立缺陷。

通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察鑄造和HIP試樣中的鑄造缺陷，圖7所示為典型的顯微照片。缺陷可以分為兩組：

① 圖中箭頭標(biāo)出的孤立缺陷；

② 缺陷簇，在晶間區(qū)域明顯的三向縮孔。圖7中用橢圓標(biāo)出了缺陷簇。

通過(guò)圖像分析研究了孤立缺陷面積變化。缺陷簇尺寸的變化更加復(fù)雜，因此本文提出了一種方法確認(rèn)屬于同一個(gè)縮孔的缺陷簇面積。通過(guò)盡可能接近缺陷簇面積的橢圓，定義缺陷簇面積的極值。盡管這個(gè)定義并不精確，但這個(gè)簡(jiǎn)單的處理得到的結(jié)果非?？尚拧＿@點(diǎn)會(huì)在第3節(jié)中詳細(xì)討論。鑄造和HIP試樣中孤立缺陷和缺陷簇的尺寸如圖8?？梢钥闯?，兩類缺陷尺寸極值統(tǒng)計(jì)直線與實(shí)際尺寸數(shù)據(jù)相吻合。與鑄造試樣相比，孤立缺陷的偏移表明HIP處理可以降低缺陷尺寸，在缺陷簇中可以得到相同的結(jié)論。

3、討論

現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，HIP處理可以提高鑄造Ni基高溫合金致疲勞壽命。在本文中，對(duì)于對(duì)稱負(fù)載和300MPa平均拉伸應(yīng)力循環(huán)，在104~107次循環(huán)內(nèi)S-N數(shù)據(jù)得到顯著改善。圖9中比較了鑄態(tài)和熱等靜壓GH4169合金的S-N曲線?？梢钥闯雠c鑄造試樣相比，HIP試樣對(duì)稱負(fù)載對(duì)于拉伸平均應(yīng)力107次循環(huán)疲勞極限分別提高了30%和80%，如表1所示。

另一方面，S-N數(shù)據(jù)離散性沒(méi)有明顯變化。對(duì)于鑄造和HIP試樣對(duì)稱循環(huán)判定系數(shù)R2分別為0.36和0.35。與平均應(yīng)力測(cè)試結(jié)果相比較，R2值相似，HIP處理的作用并不顯著。在數(shù)據(jù)中并沒(méi)有觀察到由HIP導(dǎo)致疲勞壽命離散分布的減小。

因此，HIP處理，可以提高試樣疲勞壽命，但并不能完全消除鑄造缺陷和氣孔。孤立缺陷和缺陷簇的分布如圖8所示。經(jīng)過(guò)極值統(tǒng)計(jì)分析可知，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)能夠和直線擬合相吻合，缺陷分布符合極值統(tǒng)計(jì)。既適用于孤立缺陷也適用于缺陷簇。重要的是在該條件下極值統(tǒng)計(jì)能夠估算在一個(gè)給定體積內(nèi)可能出現(xiàn)的缺陷的*大尺寸。

疲勞試樣*大缺陷Sspec可以按照以下方法預(yù)測(cè)。**步，缺陷的*大值（面積的平方根）確定為與疲勞試樣標(biāo)距軸截面面積相等的參照面積Sref=5mm×35mm。按照回歸周期Sref到S0=1.83mm2、T=96，通過(guò)外推法計(jì)算獲得的結(jié)果繪制于圖8中。該區(qū)域*大缺陷尺寸DT=96=43、56、446、591μm分別對(duì)應(yīng)于HIP試樣和鑄造試樣中的孤立缺陷和缺陷簇。

鑄件中的缺陷是三維的，在橫向和縱向截面尺寸相同，因此可以推斷在體積為SrefDT=96一個(gè)立方體中觀察到這些尺寸的三維缺陷。在試樣標(biāo)距上具有這些尺寸缺陷的數(shù)量N=Sspec/SrefDT=96。對(duì)于整個(gè)試樣體積的回歸周期可以定義為Tspec=TN。

對(duì)于鑄造材料該方法得到的缺陷簇回歸周期T=638，*大缺陷尺寸為800μm，如圖8所示。比較預(yù)測(cè)值和實(shí)際缺陷尺寸。缺陷如圖3所示，面積為1.180mm2金相截面（在圖中用橢圓圈出），獲得的面積的平方根=1086μm。兩個(gè)值可以被認(rèn)為是相接近的，尤其是考慮到缺陷簇的面積計(jì)算的不精確。

類推，HIP試樣中簇*大缺陷尺寸620μm，缺陷尺寸在圖6中面積的平方根=550μm，再一次與預(yù)測(cè)值相一致。從圖8和疲勞斷口的顯微照片中更可以看出只有巨大的裂紋是具有危害性的，而小的孤立缺陷是無(wú)害的，如圖6中箭頭所示的缺陷。

上述討論結(jié)果中，通過(guò)金相確定試樣中*大缺陷的精確性值得討論。金相法確定缺陷尺寸應(yīng)該是非常準(zhǔn)確的，因?yàn)閷?shí)際上通過(guò)金相截面測(cè)得的缺陷尺寸肯定不是缺陷*大的尺寸。與小尺寸缺陷相比，缺陷的實(shí)際形狀是非常復(fù)雜的，尤其是缺陷簇。本文結(jié)果表明，根據(jù)內(nèi)切橢圓預(yù)測(cè)缺陷尺寸與對(duì)應(yīng)缺陷金相觀察獲得的缺陷尺寸是相符的。這意味著金相法能夠合理的用于預(yù)測(cè)在鑄造試樣中*大的缺陷。

另外一個(gè)應(yīng)該被討論的問(wèn)題是，實(shí)際上圖8中實(shí)驗(yàn)點(diǎn)數(shù)量較少。在圖中，對(duì)于HIP試樣中缺陷簇只有6個(gè)點(diǎn)。在100mm2的截面上分析面積為1.83mm2的25個(gè)不同位置。在這個(gè)小的面積上有許多小的孤立缺陷，但大缺陷簇出現(xiàn)頻率非常低。增加測(cè)試位置的數(shù)量意味著需要增加探傷面積。如果在幾個(gè)試樣位置上進(jìn)行分析，盡管實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量較少，但觀察到的趨勢(shì)是相同的，并且對(duì)于特定試樣的預(yù)測(cè)是合理的。

在缺陷附近疲勞裂紋增殖可分為晶體學(xué)的和非晶體學(xué)的。通常認(rèn)為在Ni基合金晶體學(xué)發(fā)生在階段I和非晶體學(xué)發(fā)生在階段II。圖10所示為主要通過(guò)非晶體學(xué)裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生的斷裂面（標(biāo)記為A）。斷裂面在宏觀上垂直于主應(yīng)力。在缺陷附近可以觀察到一些晶體學(xué)面，如圖中用箭頭指出位置。

這些晶體學(xué)面通常以高角度傾斜于先前的非晶體學(xué)宏觀斷裂面。晶體學(xué)面形成機(jī)制包括局部滑移和沿{111}晶體學(xué)面滑移帶，在鑄造試樣中它們的長(zhǎng)度很長(zhǎng)，通常終止在晶界和沿著試樣分離的晶體學(xué)面。在缺陷處強(qiáng)烈的應(yīng)力集中可以促進(jìn)滑移進(jìn)行和結(jié)合破壞過(guò)程。鑄件中缺陷尺寸是變化的、形狀是不同的，表明他們應(yīng)力集中因素不同。這些不同是S-N曲線數(shù)據(jù)離散的原因。

4、結(jié)論

熱等靜壓處理可以提高鑄造GH4169高溫合金在800℃的疲勞性能。與對(duì)稱疲勞負(fù)載相比，拉伸平均應(yīng)力的疲勞負(fù)載試樣S-N曲線向低應(yīng)力偏移。由于大的鑄造缺陷導(dǎo)致的S-N數(shù)據(jù)離散，在HIP處理后仍然存在。在給定面積里，應(yīng)用極值統(tǒng)計(jì)分析、金相測(cè)量鑄造缺陷尺寸可得出合理的*大缺陷尺寸，通過(guò)疲勞斷裂面金相分析證實(shí)了預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

5、拓展

GH4169產(chǎn)品概述：

該合金在-253～700℃溫度范圍內(nèi)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,并具有良好的抗疲勞、抗輻射、抗氧化、耐腐蝕性能,以及良好的加工性能、焊接性能良好。能夠制造各種形狀復(fù)雜的零部件，在宇航、核能、石油工業(yè)及擠壓模具中，在上述溫度范圍內(nèi)獲得了極為廣泛的應(yīng)用。

GH4169合金具有以下特性
1.易加工性
2.在700℃時(shí)具有高的抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、抗蠕變強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度
3.在1000℃時(shí)具有高抗氧化性
4.在低溫下具有穩(wěn)定的化學(xué)性能
5.良好的焊接性能

GH4169 的金相結(jié)構(gòu)
GH4169合金為奧氏體結(jié)構(gòu)，沉淀硬化后生成的γ”相使之具有了**的機(jī)械性能。在熱處理過(guò)程中于晶界處生成的δ相使之具有了*佳的塑性。

GH4169 的耐腐蝕性
不管在高溫還是低溫環(huán)境，GH4169合金都具有極好的耐應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂和點(diǎn)蝕的能力。GH4169合金在高溫下的抗氧化性尤其出色。

GH4169工藝性能與要求

1、因Inconel718合金中鈮含量高,合金中的鈮偏析程度與治金工藝直接有關(guān)。
2、為避免鋼錠中的元素偏析過(guò)重，采用的鋼錠直徑不大于508mm。
3、經(jīng)均勻化處理的合金具有良好的熱加工性能，鋼錠的開(kāi)坯加熱溫度不得超過(guò)1120℃。
4、該合金的晶粒度平均尺寸與鍛件的變形程度、終鍛溫度密切相關(guān)。
5、合金具有滿意的焊接性能，可用氬弧焊、電子束焊、縫焊、點(diǎn)焊等方法進(jìn)行焊接。
6、合金不同的固溶處理和時(shí)效處理工藝會(huì)得到不同的材料性能。由于γ”相的擴(kuò)散速率較低，所以通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的時(shí)效處理能使Inconel718合金獲得*佳的機(jī)械性能。

GH4169 應(yīng)用范圍應(yīng)用領(lǐng)域有
由于在700℃時(shí)具有高溫強(qiáng)度和**的耐腐蝕性能、易加工性，GH4169可廣泛應(yīng)用于各種高要求的場(chǎng)合。
1.汽輪機(jī)
2.液體燃料火箭
3.低溫工程
4.酸性環(huán)境
5.核工程