热等静压处理对GH4169合金圆钢高温抗疲劳性能的影响

铸造GH4169高温合金具有高温服役寿命长、铸造性能好、不需热处理和相对低的成本等优点，主要用于制造飞行器、舰艇和工业用燃气轮机的涡轮增压器。但在铸造GH4169高温合金中，容易出现晶粒尺寸大并且铸件包含气孔、疏松等缺陷。疲劳寿命较为离散，尤其是在高周疲劳区(HCF)。这显然影响该合金在涡轮增压器中的应用。目前有许多方法可以减小铸造缺陷，但都不能将其完全消除。通过热等静压(HIP)技术可以改善GH4169合金的蠕变和疲劳性能。HIP可以提高材料在蠕变和疲劳条件下强度的同时缩小蠕变性能的离散。

1、实验方法

疲劳测试试样从直径为20mm长度为100mm的铸棒上切割制得。试样制备主要有3点考虑，从铸造技术的角度，采用相同批次铸件。所有棒料通过X射线无损探伤检测，铸件中缺陷尺寸小于该检测方法的分辨极限0.5mm。试样如图1所示，标距长度为35mm，标距直径为5mm。试样经机加工和精磨，表面粗糙度Ra=0.4。热等静压(HIP)试样共制备25个。经机加工的试样在1000个大气压下1160℃加热3h。冷却速率为10℃/min，在Ar保护气氛下冷却至900℃后在空气下继续冷却至室温。

循环判定系数疲劳测试通过100kN谐振测试系统Amsler10HFP1478控制载荷在800℃下测试铸造和HIP试样在HCF区域疲劳性能。疲劳测试试样分为两组：平均应力0MPa和平均拉伸应力300MPa。在测试起始阶段，平均负载保持在0MPa，在设定温度800℃保温2h。然后开始平均应力0MPa对称应力测试。在平均拉伸应力300MPa测试时，在几秒内平均负载施加。在几百次负载循环达到满载振幅，加载频率为115Hz。试样加热在电阻炉中进行，测试时间内试样标距长度上温度误差为±1℃，标距中心部分温度梯度小于3℃/cm。通过极值统计软件分析铸造缺陷尺寸及其分布。通过光学显微镜观察GH4169高温合金中铸造缺陷。金相试样在轴向截面和横截面制备，尺寸分别为5mm×20mm和直径为5mm。共分析了25个不同位置界面，面积S0=1.83mm2。

2、实验过程

图2所示为800℃铸造试样HCF疲劳寿命S-N曲线。对称负载与300MPa拉伸平均应力循环数据一同给出。可以看出S-N数据较为离散，其中对称疲劳负载数据离散更为明显。箭头表示出局试样。

与对称疲劳负载相比，拉伸平均应力的疲劳负载试样S-N曲线向低应力偏移。对于104次循环试样偏移接近100MPa，并且随循环次数增加偏移略有降低。通过疲劳断口的形貌观察可以看出所有情况下断裂均起始于大的铸造缺陷，如图3。箭头表示鱼眼状裂纹的边界。

HIP试样疲劳寿命实验结果如图4。对称负载循环和300MPa拉伸平均应力循环数据与铸造试样相同，均为离散分布。图中实线和虚线为幂律拟合曲线。铸造试样和HIP试样幂律拟合系数σa=AN-bf和判定系数R2列于表1中。HIP试样断口形貌观察表明疲劳裂纹萌生方式与铸造试样相同，裂纹起始于铸造内部缺陷。图5给出了在应力振幅为250MPa循环106次后失效的试样断裂面示例。图6中圈出了裂纹起始位置，包含起始于裂纹的复杂三向缩孔。箭头指示的是孤立缺陷。

通过光学显微镜观察铸造和HIP试样中的铸造缺陷，图7所示为典型的显微照片。缺陷可以分为两组：

① 图中箭头标出的孤立缺陷；

② 缺陷簇，在晶间区域明显的三向缩孔。图7中用椭圆标出了缺陷簇。

通过图像分析研究了孤立缺陷面积变化。缺陷簇尺寸的变化更加复杂，因此本文提出了一种方法确认属于同一个缩孔的缺陷簇面积。通过尽可能接近缺陷簇面积的椭圆，定义缺陷簇面积的极值。尽管这个定义并不精确，但这个简单的处理得到的结果非常可信。这点会在第3节中详细讨论。铸造和HIP试样中孤立缺陷和缺陷簇的尺寸如图8。可以看出，两类缺陷尺寸极值统计直线与实际尺寸数据相吻合。与铸造试样相比，孤立缺陷的偏移表明HIP处理可以降低缺陷尺寸，在缺陷簇中可以得到相同的结论。

3、讨论

现有实验数据表明，HIP处理可以提高铸造Ni基高温合金致疲劳寿命。在本文中，对于对称负载和300MPa平均拉伸应力循环，在104~107次循环内S-N数据得到显著改善。图9中比较了铸态和热等静压GH4169合金的S-N曲线。可以看出与铸造试样相比，HIP试样对称负载对于拉伸平均应力107次循环疲劳极限分别提高了30%和80%，如表1所示。

另一方面，S-N数据离散性没有明显变化。对于铸造和HIP试样对称循环判定系数R2分别为0.36和0.35。与平均应力测试结果相比较，R2值相似，HIP处理的作用并不显著。在数据中并没有观察到由HIP导致疲劳寿命离散分布的减小。

因此，HIP处理，可以提高试样疲劳寿命，但并不能完全消除铸造缺陷和气孔。孤立缺陷和缺陷簇的分布如图8所示。经过极值统计分析可知，实验点能够和直线拟合相吻合，缺陷分布符合极值统计。既适用于孤立缺陷也适用于缺陷簇。重要的是在该条件下极值统计能够估算在一个给定体积内可能出现的缺陷的*大尺寸。

疲劳试样*大缺陷Sspec可以按照以下方法预测。**步，缺陷的*大值（面积的平方根）确定为与疲劳试样标距轴截面面积相等的参照面积Sref=5mm×35mm。按照回归周期Sref到S0=1.83mm2、T=96，通过外推法计算获得的结果绘制于图8中。该区域*大缺陷尺寸DT=96=43、56、446、591μm分别对应于HIP试样和铸造试样中的孤立缺陷和缺陷簇。

铸件中的缺陷是三维的，在横向和纵向截面尺寸相同，因此可以推断在体积为SrefDT=96一个立方体中观察到这些尺寸的三维缺陷。在试样标距上具有这些尺寸缺陷的数量N=Sspec/SrefDT=96。对于整个试样体积的回归周期可以定义为Tspec=TN。

对于铸造材料该方法得到的缺陷簇回归周期T=638，*大缺陷尺寸为800μm，如图8所示。比较预测值和实际缺陷尺寸。缺陷如图3所示，面积为1.180mm2金相截面（在图中用椭圆圈出），获得的面积的平方根=1086μm。两个值可以被认为是相接近的，尤其是考虑到缺陷簇的面积计算的不精确。

类推，HIP试样中簇*大缺陷尺寸620μm，缺陷尺寸在图6中面积的平方根=550μm，再一次与预测值相一致。从图8和疲劳断口的显微照片中更可以看出只有巨大的裂纹是具有危害性的，而小的孤立缺陷是无害的，如图6中箭头所示的缺陷。

上述讨论结果中，通过金相确定试样中*大缺陷的精确性值得讨论。金相法确定缺陷尺寸应该是非常准确的，因为实际上通过金相截面测得的缺陷尺寸肯定不是缺陷*大的尺寸。与小尺寸缺陷相比，缺陷的实际形状是非常复杂的，尤其是缺陷簇。本文结果表明，根据内切椭圆预测缺陷尺寸与对应缺陷金相观察获得的缺陷尺寸是相符的。这意味着金相法能够合理的用于预测在铸造试样中*大的缺陷。

另外一个应该被讨论的问题是，实际上图8中实验点数量较少。在图中，对于HIP试样中缺陷簇只有6个点。在100mm2的截面上分析面积为1.83mm2的25个不同位置。在这个小的面积上有许多小的孤立缺陷，但大缺陷簇出现频率非常低。增加测试位置的数量意味着需要增加探伤面积。如果在几个试样位置上进行分析，尽管实验数据点的数量较少，但观察到的趋势是相同的，并且对于特定试样的预测是合理的。

在缺陷附近疲劳裂纹增殖可分为晶体学的和非晶体学的。通常认为在Ni基合金晶体学发生在阶段I和非晶体学发生在阶段II。图10所示为主要通过非晶体学裂纹扩展产生的断裂面（标记为A）。断裂面在宏观上垂直于主应力。在缺陷附近可以观察到一些晶体学面，如图中用箭头指出位置。

这些晶体学面通常以高角度倾斜于先前的非晶体学宏观断裂面。晶体学面形成机制包括局部滑移和沿{111}晶体学面滑移带，在铸造试样中它们的长度很长，通常终止在晶界和沿着试样分离的晶体学面。在缺陷处强烈的应力集中可以促进滑移进行和结合破坏过程。铸件中缺陷尺寸是变化的、形状是不同的，表明他们应力集中因素不同。这些不同是S-N曲线数据离散的原因。

4、结论

热等静压处理可以提高铸造GH4169高温合金在800℃的疲劳性能。与对称疲劳负载相比，拉伸平均应力的疲劳负载试样S-N曲线向低应力偏移。由于大的铸造缺陷导致的S-N数据离散，在HIP处理后仍然存在。在给定面积里，应用极值统计分析、金相测量铸造缺陷尺寸可得出合理的*大缺陷尺寸，通过疲劳断裂面金相分析证实了预测的准确性。

5、拓展

GH4169产品概述：

该合金在-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首位,并具有良好的抗疲劳、抗辐射、抗氧化、耐腐蚀性能,以及良好的加工性能、焊接性能良好。能够制造各种形状复杂的零部件，在宇航、核能、石油工业及挤压模具中，在上述温度范围内获得了极为广泛的应用。

GH4169合金具有以下特性
1.易加工性
2.在700℃时具有高的抗拉强度、疲劳强度、抗蠕变强度和断裂强度
3.在1000℃时具有高抗氧化性
4.在低温下具有稳定的化学性能
5.良好的焊接性能

GH4169 的金相结构
GH4169合金为奥氏体结构，沉淀硬化后生成的γ”相使之具有了**的机械性能。在热处理过程中于晶界处生成的δ相使之具有了*佳的塑性。

GH4169 的耐腐蚀性
不管在高温还是低温环境，GH4169合金都具有极好的耐应力腐蚀开裂和点蚀的能力。GH4169合金在高温下的抗氧化性尤其出色。

GH4169工艺性能与要求

1、因Inconel718合金中铌含量高,合金中的铌偏析程度与治金工艺直接有关。
2、为避免钢锭中的元素偏析过重，采用的钢锭直径不大于508mm。
3、经均匀化处理的合金具有良好的热加工性能，钢锭的开坯加热温度不得超过1120℃。
4、该合金的晶粒度平均尺寸与锻件的变形程度、终锻温度密切相关。
5、合金具有满意的焊接性能，可用氩弧焊、电子束焊、缝焊、点焊等方法进行焊接。
6、合金不同的固溶处理和时效处理工艺会得到不同的材料性能。由于γ”相的扩散速率较低，所以通过长时间的时效处理能使Inconel718合金获得*佳的机械性能。

GH4169 应用范围应用领域有
由于在700℃时具有高温强度和**的耐腐蚀性能、易加工性，GH4169可广泛应用于各种高要求的场合。
1.汽轮机
2.液体燃料火箭
3.低温工程
4.酸性环境
5.核工程