溶液温度对GH4738镍基超合金短期蠕变行为及微观结构演变的影响

《Materials Today Communications》：Effect of solution temperature on short-term creep behavior and microstructural evolution of GH4738 Ni-based superalloy

GH4738镍基合金经溶液与双时效处理后，在730℃/550MPa下蠕变性能随溶液温度先升后降，最佳温度为1000℃。微观结构演变显示晶粒尺寸随温度升高显著增大，晶界Cr23C6碳化物形态从离散颗粒演变为连续链状分布，γ'相呈现单模态分布，断裂机制由晶界主导转向晶界与晶内混合模式，蠕变机制从位错剪切转向Orowan环形成。

　　

钟明军|余浩|王子若|薛汉琦|张凤硕|王光磊|张晓萌|曲景龙

北京科技大学材料科学与工程学院，中国北京100083

摘要

在本研究中，GH4738镍基超级合金经过固溶处理和双时效热处理后，在730 ℃/550 MPa的条件下进行了蠕变试验。通过采用扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）和扫描透射电子显微镜（STEM）等多尺度表征方法，系统研究了固溶温度对合金短期蠕变行为和微观结构演变的影响。研究发现，随着固溶温度的升高，蠕变寿命先增加后减少，而断裂后的伸长率则持续下降。最佳的整体性能出现在固溶温度为1000 °C时。EBSD分析结果显示，蠕变断裂附近的微观结构中晶粒尺寸随固溶温度的升高而增大，而晶界处的几何必要位错（GND）密度减小。SEM观察表明，蠕变断裂附近的Cr富集M₂₃C₆晶界碳化物的含量逐渐增加，其形态从离散的颗粒状发展为不连续的链状，最终沿晶界连续分布。微观结构中的球形γ′相颗粒从双峰分布（初级γ′相和次级γ′相）转变为单峰分布（次级γ′相）。SEM对蠕变断裂形态的观察显示，随着固溶温度的升高，蠕变断裂机制从晶间断裂转变为晶间和晶内混合断裂。TEM分析揭示，固溶温度的升高使蠕变变形机制从位错剪切转变为Orowan环状变形。

引言

GH4738是一种典型的沉淀强化镍基超级合金。由于其优异的强度、卓越的抗氧化和耐腐蚀性能以及在高温下的良好微观结构稳定性，它被广泛应用于航空、石油化工等领域[1]、[2]、[3]、[4]。这种超级合金的优异机械性能主要源于γ′相，该相从γ基体中析出，具有面心立方（FCC）有序的L1₂晶体结构和Ni₃(Al, Ti)化学成分，有效阻碍了位错的运动[5]、[6]。近年来，随着航空发动机推重比和燃油效率的不断提高，对镍基超级合金的性能要求也越来越严格[7]、[8]。然而，镍基超级合金部件的使用寿命往往受到高温蠕变和疲劳性能的限制[9]、[10]。在长时间的高温载荷下，蠕变通常是主要的失效机制。因此，深入研究GH4738镍基超级合金的蠕变特性至关重要。

热处理作为一种有效的提高机械性能的方法，在镍基超级合金的热加工过程中得到了广泛应用[11]、[12]。镍基超级合金的热处理包括固溶处理和时效处理，这可以析出两种不同尺寸的γ′相，即初级γ′相和次级γ′相[13]。镍基超级合金的蠕变性能受到γ′相的显著影响。先前的研究表明，γ′相的尺寸、数量和分布会影响其高温蠕变行为，从而改变其蠕变寿命[14]、[15]。镍基超级合金中位错与γ′相之间的相互作用机制主要包括Orowan环状变形、位错攀移和位错剪切[16]、[17]。特别是，完美位错和部分位错会剪切γ′相，留下反相界或堆垛错[18]。赵等人[19]研究了GH4169镍基超级合金在650 °C/820 MPa条件下的蠕变行为，发现变形孪晶和堆垛错是主要的变形机制。欧等人[20]发现添加Hf可以延长K4750超级合金的蠕变寿命。在蠕变过程中，位错通过绕过γ′相颗粒移动形成Orowan环或剪切γ′相颗粒留下堆垛错。周等人[21]表明，固溶温度的升高会改变晶界M₂₃C₆碳化物的形态和分布，从而加速裂纹扩展并缩短蠕变寿命。此外，初级蠕变变形机制从堆垛错剪切转变为微孪晶剪切。

尽管以往的研究已经探讨了标准热处理后GH4738镍基超级合金的蠕变特性[13]、[22]，但固溶温度对其微观结构演变和蠕变性能的影响仍缺乏系统和深入的研究。本研究通过固溶处理和双时效热处理，随后在730 °C/550 MPa条件下进行蠕变试验，并结合扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）和扫描透射电子显微镜（STEM）等多尺度表征方法，系统研究了固溶温度对GH4738镍基超级合金短期蠕变行为和微观结构演变的影响。这些发现旨在为更深入理解GH4738超级合金的蠕变性能提供理论支持，并为提高其他类似镍基超级合金的蠕变抗力提供有价值的参考。

材料与热处理

本研究使用的材料是通过真空感应熔炼、电渣重熔和真空电弧重熔制备的GH4738镍基超级合金棒材，然后在1200 ℃下进行50小时的均匀化处理，并在1170 ℃下进行锻造。GH4738镍基超级合金的化学成分见表1。为了研究固溶温度对GH4738镍基超级合金短期蠕变行为的影响，将原始棒材分别在1000 °C和1040

蠕变试验前的微观结构表征

图2展示了不同固溶温度下热处理后的GH4738镍基超级合金试样的微观结构。如图2（a1–c1）中的晶粒图所示，随着固溶温度从1000 ℃升高到1080 ℃，晶粒尺寸呈增长趋势，等效晶粒尺寸（EGS）从51.8 μm增加到256.6 μm。图2（a2–c2）中的极图（IPF）表明晶粒取向呈随机分布，没有

结论

在本研究中，GH4738镍基超级合金经历了固溶处理和双时效热处理，并在730 ℃/550 MPa条件下进行了蠕变试验。通过采用多尺度表征技术，系统研究了固溶温度对合金短期蠕变行为和微观结构演变的影响。主要结论如下：

• (1)
  随着固溶温度的升高，合金的蠕变寿命先增加后减少，而断裂后的伸长率

CRediT作者贡献声明

余浩：撰写 – 审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。钟明军：撰写 – 原始稿、方法学、研究、数据管理。曲景龙：监督、资源提供。张晓萌：项目管理。王光磊：项目管理。张凤硕：数据可视化。薛汉琦：软件应用。王子若：方法学、研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（2021YFB3700404）的财政支持。