对大型GH4706超合金涡轮盘微观结构及力学性能的实验研究

《Journal of Alloys and Compounds》：Experimental investigation of microstructure and mechanical properties of a large GH4706 superalloy turbine disc

本研究针对2000mm直径GH4706合金涡轮盘，对比了1/4径向位置沿厚度方向(A样本)和切向方向(T样本)的微观结构演变与力学性能差异。结果表明，A样本碳化物体积分数（1.5%）高于T样本（0.2%），导致A样本强度更高但延展性（17.5%）和冲击韧性（36J）显著低于T样本（22.5%、79J），主要归因于碳化物引起的应力集中。变形机制以位错滑移、晶粒旋转和堆垛层错为主，其中碳化物阻碍位错运动。

　　

张海成|刘强|叶远|周杰

重庆大学材料科学与工程学院，中国重庆150001

摘要

GH4706是一种典型的镍铁铬基超合金，广泛用于制造大型涡轮盘。在本研究中，通过包括锭材齿形加工、锻造、固溶处理和时效处理在内的工艺路线，制备了一个直径为2000毫米、厚度为300毫米的GH4706合金涡轮盘。研究重点关注了沿厚度方向1/4处（A样品）和切向（T样品）的微观结构及力学性能演变差异。结果表明，A样品和T样品的平均晶粒尺寸分别为26.3微米和28.2微米，两种样品的晶粒内部均均匀分布着γ′和γ″相。A样品中观察到了大量细小球状碳化物以及少量较粗且形状不规则的碳化物，其总体积分数为1.5%；而T样品中仅检测到少量球状碳化物，体积分数低至0.2%。此外，A样品和T样品的屈服强度相当（分别为1092 MPa和1107 MPa），但A样品的伸长率（17.5%）明显低于T样品（22.5%）。同样，A样品的冲击韧性为36 J，而T样品的冲击韧性达到79 J，约为A样品的两倍。这些力学性能的差异主要归因于A样品中碳化物的高体积分数，这加剧了应力集中并降低了机械性能。最后，利用T样品进行了原位拉伸测试，研究了GH4706合金的拉伸变形机制。结果显示，主要的变形机制包括位错滑移、晶粒旋转和堆垛错位形成。在拉伸过程中，晶粒内的γ′和γ″相阻碍了位错滑移，而晶界处的η相则没有明显的钉扎效应。本研究为大型GH4706超合金涡轮盘的制造和性能优化提供了宝贵的见解和科学指导。

引言

镍基超合金具有优异的高温抗性和疲劳性能，广泛用于制造航空发动机和工业燃气轮机的核心部件。GH4706是一种典型的镍铁铬基超合金，由GH4169改进而来。与传统GH4169合金相比，GH4706含有更多的Ti和Fe，Nb、Al、Cr和Ni的含量较低，并且不含Mo [1]，[2]。由于其低成本、良好的加工性能以及在高温下的高强度，GH4706合金被广泛用于制造大型燃气轮机涡轮盘 [3]。

迄今为止，已有大量关于GH4706合金热变形行为的研究。例如，Huang等人[4]研究了热处理工艺对GH4706合金热变形行为的影响，证明稳定化热处理是细化晶粒尺寸的有效方法。在稳定化处理过程中，晶界处形成了大量的网状η相。在随后的热变形过程中，这些η相会钉扎晶界，从而促进不连续动态再结晶的发生。Xia等人[5]研究了GH4706合金在热变形过程中的孪晶形成和动态再结晶演变，发现不连续动态再结晶是主导机制。在高温和低应变率条件下，GH4706合金更倾向于发生孪晶形成，孪晶界促进了动态再结晶晶粒的 nucleation，加速了孪晶诱导的动态再结晶过程。Xu等人[6]进一步研究了GH4706合金的高温拉伸变形行为，发现随着变形温度的升高，合金的强度降低，而伸长率增加。断裂模式也从脆性的晶间断裂转变为韧性的凹坑断裂。值得注意的是，在500°C时，GH4706合金表现出中温脆性，这主要是由于在这种变形条件下晶界处硫的明显偏聚。此外，晶界处的碳化物粗化和位错引起的局部应变不均匀性进一步加剧了这种脆性。总体而言，现有研究主要集中在GH4706合金的微观结构和高温变形行为上，而对其室温变形行为的研究相对较少。

此外，大型超合金部件的制造通常涉及多个连续工艺，包括铸造、锻造和热处理。由于超合金复杂的化学成分和多样的相组成，在凝固、变形和热处理过程中容易发生元素偏聚，导致微观结构不均匀，进而使得大型部件不同位置的微观结构和力学性能存在差异 [7]。例如，Tai等人[8]报告称，在超合金凝固过程中，Al、Ti和Nb优先偏聚到枝晶间区域，而Mo主要富集在枝晶内部。枝晶间区域还形成了大量的γ–γ′共晶相和碳化物，显著降低了锻造性能。Li等人[9]也得出了类似的研究结果。Prasad等人[10]研究了Ni718超合金涡轮盘在不同位置的蠕变行为，发现即使在相同的应变幅度下，盘中心的损伤抵抗能力也显著高于边缘。在GH4706合金的工业生产中，其复杂的变形和热处理过程不可避免地导致涡轮盘不同位置出现不同的微观结构特征。由于厚度方向和切向是大型GH4706合金涡轮盘的主要受力方向，因此需要研究这些方向上的微观结构和力学性能演变，为实际制造和应用提供科学依据。

基于上述背景，本研究通过包括锭材齿形加工、固溶处理和时效处理在内的工艺路线，制备了一个直径为2000毫米、厚度为300毫米的GH4706合金涡轮盘。研究重点关注了沿厚度方向1/4处和切向的微观结构及力学性能演变差异，并通过原位拉伸测试阐明了GH4706合金的拉伸变形机制。本研究的结果为GH4706合金涡轮盘的制造和性能优化提供了科学指导。

实验方法

本研究中使用的GH4706合金的名义成分如下：C 0.02 wt.%，Si 0.05 wt.%，Al 0.2 wt.%，Ti 1.8 wt.%，Nb 3.0 wt.%，Cr 16.3 wt.%，Fe 36.0 wt.%，其余为Ni。原材料通过三重熔炼（真空感应熔炼+电渣重熔+真空电弧熔炼）制备，随后进行均匀化和镦粗处理，得到直径为Φ720毫米的锭材。这些锭材随后经过锻造、固溶处理和时效处理。

微观结构演变

图2展示了A样品和T样品的EBSD微观结构。两种样品的晶粒尺寸分布相对均匀，平均晶粒尺寸分别为26.3微米和28.2微米（图2a和2d）。此外，两种样品中都观察到了高密度的退火孪晶，且孪晶界的比例相当（图2b–2f）。这些结果表明，A样品和T样品在加工过程中的晶粒演变行为相似。

图3显示了...

结论

本研究探讨了直径为2000毫米、厚度为300毫米的GH4706合金锻造涡轮盘的微观结构和力学性能。分析重点关注了沿厚度方向1/4处（A样品）和切向（T样品）的微观结构及力学性能演变差异，并研究了GH4706合金的拉伸变形机制。主要结论如下：

(1) A样品和T样品都...

作者贡献声明

张海成：撰写初稿、资源协调、项目管理、实验设计、资金申请、概念构思。叶远：撰写与编辑、监督、数据分析、数据管理。刘强：撰写与编辑、数据可视化、结果验证、软件应用、方法设计、数据管理。周杰：数据可视化、结果验证、软件应用、资源协调。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢四川省重点研发计划[2024YFTX0041]和中国国家重点研发计划[2022YFB3705103]的支持。