GH4169高温合金gh4169镍基高温合金
GH4169简介：
GH4169合金在-253～700℃温度范围内具有良好的综合性能，650℃以下的屈服强度居变形高温合金的，并具有良好的耐辐射、耐氧化、耐腐蚀性能，以及良好的加工性能、焊接性能良好。能够制造形状复杂的零部件
该合金的另一特点是合金组织对热加工工艺特别敏感，掌握合金中相析出和溶解规律及组织与工艺、性能的相互关系，可针对不同的使用要求制定合理、可行的工艺规程，就能获得可满足不同强度级别和使用要求的零件。机匣等零部件长期使用。
GH4169 的化学成分:
GH4169物理性能：
GH4169特性：
GH4169是Ni-Cr-Fe基沉淀硬化型变形高温合金，长时使用温度范围-235°C～650°C,短时使用温度可达800°C。合金在650°C以下强度较高
，具有良好的抗疲劳﹑抗辐射﹑抗氧化和耐腐蚀性能，以及良好的加工性能﹑焊接性能和长期组织稳定性。
GH4169 应用：
合金已用于制作航空发动机、环件、机匣、轴、叶片、紧固件、弹性元件、燃气导管、密封元件和焊接结构件等；制作液氢、制作核能工业应
用的各种弹性元件和格架；制作石油和化工领域应用的多种零件。
摘 要：目的 减轻不同热处理状态下激光增材制造高 Nb 含量 GH4169 合金组织中的微观偏析。方法 采用激光增材制造方法对球磨 Nb 合金化后的合金粉末进行快速成形，获得具有较高 Nb 含量的 GH4169 合金试样。
通过光学显微镜、扫描电子显微镜及能谱分析、维氏硬度测试方法，对沉积态、固溶态和直接时效态试样进行分析，研究因合金中 Nb 含量变化引起的微观偏析对沉积态和热处理态合金的枝晶组织和显微硬度的影响。
结果 随着 Nb 含量的增加，一方面，由于枝晶间的 Nb 含量增加，枝晶间（γ+Laves）共晶数量增加，且共晶组织形貌更为连续；沉积态试样的显微硬度由 228.4HV 增大至 534.1HV。另一方面，枝晶干 Nb元素含量增加，枝晶干与枝晶间 Nb 元素含量的差异缩小，Nb 元素的偏析比由 8.59 减小至 4.13。
后续固溶处理后，枝晶结构逐渐消失，枝晶间 Laves 相的数量随之减少，枝晶干与枝晶间的微观偏析减轻；固溶态试样硬度值随之减小，减小趋势随固溶温度的升高而逐渐平缓。
随着 Nb 含量的增加，直接时效处理后，各试样显微硬度值在微观区域内的均匀性提高，枝晶干与枝晶间强化相的析出差异减小。
结论 合适的热处理制度既可以实现合金元素的均匀化，还能减小枝晶干与枝晶间强化相的析出差异，减轻激光增材制造高 Nb 含量 GH4169 合金组织中的微观偏析。
GH4169（国外牌号为 Inconel 718）合金是一种镍铁基变形高温合金，具有良好的焊接性能和抗腐蚀性、良好的热加工性能、较高的强度，是航空航天及石油化工、冶金矿山应用的关键性材料。随着我国航空航天技术的发展，几何形状多样、结构复杂、性能优异的高温合金结构件需求量也日益增大。目前的锻造工艺还很难满足几何形状复杂、尺寸精密等要求，这在一定程度上限制了 GH4169 合金的发展与应 用。
随着计算机技术、激光技术、机械工程技术及 CAD/CAM 技术的发展，20 世纪 80、90 年代诞生了以激光熔覆技术和快速成形技术为基础的金属零件激光增材制造技术，这为获得高性能的高温合金开拓了新途径[3-4]。
激光增材制造 GH4169 合金熔池凝固速度快，避免了材料中合金元素的宏观偏析[5-10]，但是激光增材制造 GH4169 合金组织的亚结构为枝晶结构，枝晶间主要为(γ+Laves)共晶组织。特别地，GH4169 合金激光熔池在凝固末期形成了富含 Nb 的脆性 Laves 相，该相中 Nb 的质量分数达到 22.4%[11]，而基体 γ 相中Nb 元素的含量大大低于枝晶间。
因此在微观枝晶亚结构中，Nb 元素的偏析现象依然存在。Nb 是 GH4169合金中主要强化相 γ的主要形成元素，强化相的析出尺寸、位置与数量都直接影响着 GH4169 合金的使用性能。
Sui 等人[12-14]利用激光修复技术，较为系统地研究了 GH4169 合金修复件的组织与性能变化规律。
'研究发现，修复区沉积态显微结构为枝晶结构，基材区为锻态等轴晶。经过直接时效处理后，强化相的分布均匀性也不相同，其中修复区的强化相 γ主要分布在 Nb 含量较高的枝晶间区域，而枝晶干区域很少有强化相 γ析出，甚至没有强化相析出。
可见，GH4169中 Nb 元素的含量，尤其是 Nb 元素的偏析程度、枝晶干的 Nb 含量对 GH4169 合金的性能起到至关重要的作用。
为了更好地发挥合金组织和力学性能潜力，国内外研究者多采用调整 Al、Ti 及 Nb 的相对比例，改变沉淀相的析出数量、形貌以及尺寸，从而达到提高组织稳定性以及优化性能的目的。
Cozar R[15]等人在Inconel 718 合金的基础上调整了 Al、Ti 及 Nb 元素的含量，结果表明，当合金中 Ti+A1/Nb 原子比提高到0.9 甚至更高后，两种强化相 γ及 γ会以“包覆组织”形式析出，提高了合金的组织稳定性。
董建新等人[16]在 Cozar R 的研究基础上，对不同 Ti+A1/Nb 原子比的 Inconel 718 合金进行了更高温度及更长时间的时效处理，研究了调整成分后合金的时效硬化曲线，发现调整成分后合金的软化原因不同于传统 Inconel 718 合金。为了保证调整成分后的 Inconel 718 合金的组织稳定性和良好的力学性能，Du 等人[17-18]提高了合金中 Ti+A1/Nb 原子比，保证足够的 Al+Ti+Nb 的量，还添加了质量分数为 0.024%的 P 和 0.0096%的 B，发现调整成分后形成的 γ+γ包覆组织可以提高Inconel 718 的组织稳定性，相比于传统的 Inconel 718合金使用温度提高了 30 ℃。
综上所述，国内外研究者在传统铸造工艺中实现了 GH4169 合金的合金化处理，但是由于 GH4169 合金容易在钢锭凝固结晶过程中出现 Nb 元素的宏观偏析，导致冶金缺陷的形成，因而在对 GH4169 合金成分优化时，合金中 Nb 元素的添加量普遍较低。考虑到激光增材制造熔池非平衡快速凝固的特点，可有效避免合金元素的宏观偏析问题，保证材料连续成形，这提供了一条实现高温合金中易偏析元素含量增加的有效方法，也为通过改变合金成分实现 GH4169 合金组织改善与性能优化提供了途径。同时，通过不同的热处理工艺来继续对显微组织进行调控，获得更佳性能并掌握合金化后合金相变规律，也是一项重要的工作[19-24]。
本文通过球磨合金化制备了 Nb 合金化 GH4169合金粉末，利用激光增材制造技术成形了高 Nb 含量的 GH4169 试样，研究了 Nb 元素含量变化对激光增材制造高 Nb 含量 GH4169 合金微观偏析的影响，解释了微观偏析对沉积态、固溶态及直接时效态显微组织与显微硬度的影响规律，以期拓宽激光增材制造在GH4169 镍基高温合金零件的成形与修复领域的应用。
1 试验
1.1 试验材料
试验采用的合金粉末为等离子旋转电极法制备的球状常规 GH4169 合金粉末，颗粒尺寸约为 170 μm，粉末中各元素含量（质量分数）为：Nb 4.91%，Al 0.63%，Ti 0.97%，Mo 3.18%，Mn 0.11%，Cr 19.68%，Ni 51.75%，Fe 余量。所添加的 Nb 粉粒度为210~+320目，粉末的纯度大于 99.9%。成形基材为 1Cr13Ni9Ti不锈钢板材，尺寸为 80 mm×55 mm× 4 mm，在 80 mm× 55 mm 的平面上进行单道多层薄壁试样的激光增材成形，成形高度约为 30 mm。
1.2 试验方法与仪器
采用球磨合金化的方式将 Nb 元素添加到常规GH4169 合金粉末中，球磨合金化的具体方法为：将不同质量的 Nb 粉与常规 GH4169 合金粉添加到XQM-0.4 型立式行星球磨机中进行球磨加工，采用正反转结合间歇性工作的方式，球磨机先工作 10 min，暂停 5 min 后反向继续工作，球磨转速为 300~ 500 r/min，每组球磨时间为 3 h。
激光成形前，用砂纸将基材打磨至光亮，去除氧化皮，然后用丙酮清洗，酒精擦拭，吹干备用。实验所用的 Nb 合金化后GH4169 合金粉末中 Nb 质量分数的设计值分别为：5.50%、8.50%、11.10%。成形前对合金粉末进行真空烘干除湿处理，烘烤温度 120 ℃，烘烤时间 5 h，随后炉冷至室温。
激光增材制造试验是在W北工业大学凝固技术国家重点实验室建立的 6 kW 半导体激光增材制造系统上完成的。该系统包括：LDF 6000-60 型 6 kW 半导体激光器、数控工作台、GTV PF2/2 型高精度Bi路可调送粉器、四路同轴送粉喷嘴以及惰性气氛保护罩。
激光增材制造时的成形参数为：激光功率 2500 W，扫描速度 600 mm/min，送粉率 25 g/min，光斑直径5 mm，保护气流量 4~6 L/min，Z 轴增量 0.3~0.4 mm。整个试验在 Ar 气氛围中进行，送粉气体和保护气体均为 Ar 气。
激光增材成形后，将每种成分的试样沿沉积方向线切割成适当尺寸，进行组织观察与力学性能测定。沉积态试样经砂纸打磨和机械抛光后，使用 5 g FeCl3+20 mL HCl+100 mL C2H5OH 腐蚀液腐蚀，利用MR 5000 型倒置金相显微镜（OM）进行显微组织观察。
利用 Nova Nano SEM450 场发射扫描电子显微镜（SEM）及其配套的能谱仪（EDS）对试样进行成分测定，主要测量枝晶干中 Nb 元素的平均含量。采用SX2-5-12 箱式电阻炉对试样进行固溶热处理和直接时效热处理。
固溶热处理制度的具体参数如表 1。直接时效热处理：720 ℃保温 8 h 后，以 50 ℃/min 炉冷到 620 ℃，保温 8 h 后空冷至室温。固溶态试样经打磨抛光后，使用 1 g FeCl3+5 mL HCl+5 mL C2H5OH腐蚀，观察枝晶显微组织。显微硬度数据通过401MVD 显微硬度计采集，加载载荷 200 g，加载时间 15 s,每个试样的硬度测量点不少于 15 个，取其平均值进行数据分析。
2 试验结果与分析
2.1 Nb 合金化对沉积态试样枝晶形貌的影响 图 1 为激光增材制造 Nb 合金化 GH4169 合金沉积态试样的枝晶形貌。可以看到，激光增材制造 Nb合金化 GH4169合金的显微组织与激光增材制造常规GH4169 合金的基本一致，均为粗大柱状晶组织，亚结构为细小致密的枝晶结构。
这反映出激光增材制造高温度梯度快速凝固的特征，虽然消除了铸造工艺中的宏观偏析缺陷，但枝晶结构的存在表明在激光增材制造组织中还存在微观偏析。
相比于激光增材制造常规 GH4169 合金（图 1a），激光增材制造 Nb 合金化GH4169 合金沉积态试样的枝晶结构更加显著，由常规 GH4169合金中不发达的枝晶结构逐渐转变为发达的枝晶结构（图 1b—图 1d）。
比较可见，激光增材制造常规 GH4169 合金的枝晶结构主要是一次枝晶结构，二次枝晶臂不发达（图 1a）；随着 Nb 含量的增加，二次枝晶臂结构逐渐显现，当 Nb 质量分数达到8.50%时，二次枝晶臂结构已经非常明显（图 1c）；当 Nb 元素含量继续增加时，不仅二次枝晶臂变得更加发达，甚至出现了三次枝晶臂（图 1d）。
枝晶的发达程度决定了枝晶间共晶组织的数量和形貌。从图 1 可以看出，添加 Nb 元素后，越发达的枝晶组织中枝晶间共晶(γ+Laves)组织越多。GH4169 合金在凝固末期会发生 L→γ+Laves 共晶转变，因此激光增材制造常规 GH4169 合金的枝晶间显微组织为(γ+Laves)共晶组织。由于 Laves 相是一种富Nb 相，所以随着 Nb 含量的添加，枝晶间共晶(γ+Laves)的数量越来越多。
从形貌上看，随着枝晶结构趋于发达，枝晶间共晶组织的形貌由原来的点块状弥散分布特征（图 1a）逐渐变成连续的条状分布特征（图 1b 和图 1c），最终形成连续网状分布特征（图1d）。
枝晶结构越发达，枝晶分支越多，各枝晶间的共晶组织的距离就会越近，同时越容易形成连续的条状，甚至是网状共晶结构。
熔池的结晶形态主要取决于熔池中熔体的溶质浓度 C0、结晶速度 R 以及温度梯度 G 的综合作用[25]，溶质浓度 C0 越大，温度梯度 G 越小，结晶形态越向树枝晶发展，枝晶特征越明显。
在激光增材制造 Nb合金化 GH4169 合金的过程中，一方面随着 Nb 含量的增加，溶液中的溶质浓度 C0 不断增大；另一方面，由于 Nb 粉在熔池中的合金化为放热反应[26]，使得熔池的温度梯度 G 整体减小，随着 Nb 含量的增加，结晶形态由原来不发达的枝晶结构逐渐转变为发达的枝晶结构。
2.2 Nb 合金化对合金元素枝晶间微观偏析的影响
图 2 为激光增材制造 Nb 合金化 GH4169 合金沉积态试样的组织形貌及对应位置 Nb 元素线扫描分析结果，图中线扫描均从枝晶干的中心位置经过枝晶间到相邻枝晶干的中心位置。
可以看出，Nb 元素的分布在枝晶结构中存在较为明显的变化，在枝晶间区域含量多，而在枝晶干区域含量较少。枝晶间为(γ+Laves)共晶组织，存在富 Nb 的 Laves 相，因而枝晶间的 Nb 元素含量要高于枝晶干。
经过合金化后，激光增材制造 GH4169 合金显微组织中 Nb 元素的偏析现象依然存在（图 2b—图 2d）。值得注意的是，由于枝晶间形成了连续且呈网状分布的共晶组织，使得Nb 元素的分布沿线扫描位置经过了多个共晶区（γ+Laves），由于共晶 γ 相与共晶 Laves 相 Nb 含量差异较大，从而在相邻枝晶干形成了如图 2g 和图 2h所示的多个 Nb 元素的峰值。
对图 2 中枝晶干 γ 相和枝晶间 Laves 相进行成分统计，分别测量不同位置两相的成分 3 次以上，并对其取平均值。定义枝晶间 Laves 相成分与枝晶干 γ 相成分之比为偏析比（Segregation ratio，SR），用偏析比来表示 Nb 元素在枝晶间与枝晶干的偏析程度，具体统计结果见图 3。
随着 Nb 元素添加量的增多，激光增材制造 Nb 合金化沉积态试样枝晶干 γ 相中的 Nb含量呈上升趋势。当合金中 Nb 元素质量分数的设计值为 11.10%时，枝晶干 γ 相的 Nb 元素质量分数达到最大值 7.53%；相应地，Nb 元素的偏析比随着 Nb 元素添加量的增加呈下降趋势，由激光增材制造常规GH4169 的 8.59 下降至 4.13。这表明添加 Nb 元素后，
激光增材制造 Nb 合金化 GH4169 合金中枝晶干与枝晶间的偏析程度得到一定程度的减轻，缩小了枝晶间 与枝晶干之间 Nb 含量的差别
gh4169镍基高温合金的可加工性gh4169成分
GH4169镍基高温合金主要通过inch和W的沉淀强化获得..当它处于-253-650°C的温度范围内时，会表现出出众的性能。如果环境温度不超过650 ℃,该材料将具有最佳的屈服强度、优异的抗疲劳性和抗氧化性，以及特别显著的可加工性。不仅如此，当镍基高温合金处于-253-650°C温度范围时，它还能成功地制备各种复杂零件，因而在航空和挤压模具领域得到了广泛的应用。 在现有的航空金属钢中，GH4169镍基高温合金实际上是最难加工的合金材料之一。GH4169高温合金的可加工性表现在许多因素上。然而，通过学者们对这种材料所包含的各种性能的不断优化，可加工性问题越来越受到研究者的关注。与45号钢相比，这种材料的相对加工性能仅达到前者的5-15% (2)。以下是其切割特性:
1)切削温度高镍基高温合金在室温和高温下的强度和硬度都很高，所以切削时通常要消耗相当大的切削变形功率，并形成大量的热量。同时，由于其导热系数相对较低，不能保证良好的导热性能，产生的热量难以散发，会导致切削温度不断升高。
2).大切削力
GH4169镍基高温合金在硬度和强度方面尤为突出。特别是在高温下，硬度很高，而且由于其原子结构稳定，结合力突出，切削时往往伴随着比较大的切削力。
3)严重的加工硬化当这种材料承受切削力并处于高温环境时，会表现出特别突出的塑性变形。不仅如此，当处于切削热环境中时，这种材料还会吸收附近介质中所含的H元素等原子，产生一层比较硬而脆的表层，其硬度甚至远远超过基体本身，因此不会有利于切削。
4).这工具磨损严重在切削这种材料时，刀具和切屑之间会有明显的摩擦，此时切削速度和切削温度都比较高。同时，刀具材料与相应的工件材料之间会有一定的亲和力。由于这种材料有许多硬点，切削刀具时经常发生各种类型的磨损，如边界磨损和沟槽磨损。
5)塑性变形大由于这种材料含有很多奥氏体组织，而且由于加工过程中切削热特别突出，导致镍基高温合金在加工过程中产生热变形，使得一些尺寸和形状精度发生变化，产品质量无法保证。
6)加工成本高现在在切削过程中，还没有设定刀具材料和切削参数的统一最优值，而是凭经验连续切削材料，会导致材料的过度浪费。 综上所述，我们可以看到，与其他多样化的材料相比，GH4169镍基高温合金的加工难度较大，目前还处于试切阶段，而过多的实际加工和试切会导致材料的浪费和研究成本的增加。因此，利用有限元模拟技术模拟镍基高温合金的切削过程，不仅可以降低研究成本，而且可以从微观层面了解镍基高温合金的加工过程，是一个非常重要的研究环节。
GH4169高温合金的表面完整性与冶金工艺
GH4169高温合金具有优良的高温强度、抗氧化、抗蠕变、抗腐蚀和良好的疲劳特性。特别是在650℃的高温下，其机械性能具有良好的稳定性，能承受600～1200℃一定的工作压力；因此，GH4169高温合金被广泛用于制造工作叶片、导向叶片、涡轮盘和燃烧室等。表面完整性是指零件加工形成的表面和表层特征，包括表面粗糙度、表面形貌、表面应力集中系数、残余应力、显微硬度、显微组织等。 现有研究表明，高强度合金部件具有明显的疲劳强度应力集中敏感性。在高强度部件的疲劳失效中，80%以上的裂纹源于加工刀具痕迹、划痕或夹杂物等缺陷。表面完整性非常好。劣化对部件的疲劳性能有重要影响。在加工高强度合金时，必须注意表面完整性的控制。
GH4169高温合金的应用GH4169高温合金具有强度高、韧性高、耐腐蚀性好、高温稳定性好等特点，广泛应用于航空、航天、石油、化工等领域。 在航空航天领域，GH4169主要用于制造涡轮叶片、涡轮盘、燃烧室等高温零件。 在石化领域，GH4169 通常用于制造反应器、蒸汽发生器和加氢器。 此外，GH4169还可用于汽车排气系统、核电站反应堆等的制造。
GH4169（Inconel 718、N07718）高温合金性能要求由于GH4169合金的铌含量高，合金中的铌偏析成分与冶金工艺直接相关。 电渣重熔和真空电弧熔炼的熔化速率和电极棒的质量状态直接影响材料的质量。 溶解速度快，容易形成富含铌的黑点。 缓慢的熔化速率会导致形成含有少量铌的白点。 如果表面质量差，电极棒内部有裂纹，则很可能发生白癜风。 因此，提高电极棒的质量，控制熔化速率，提高钢锭的凝固速率是冶炼过程中的重要因素。 为了避免钢锭中元素偏析过多，目前使用的钢锭直径不超过508毫米。 在均质化过程中，要保证钢锭中的L相完全溶解。 钢锭两段均质和中间坯二次均质的时间是根据钢锭和中间坯的直径确定的。 均质过程的控制与材料中铌的偏析直接相关。 目前生产中使用的1160°C、20小时+1180°C、44小时的均质化工艺不足以去除钢锭中心的偏析。