《Journal of Alloys and Compounds》：Effect of Heat Treatment on the Microstructure and High-Temperature Tensile Properties of GH4065A Alloy
编辑推荐：
本研究通过正交实验系统探究GH4065A合金热处理工艺参数对微观组织及650℃高温力学性能的影响，揭示参数调控γ'相析出与晶粒尺寸的关键机制，确定最佳工艺窗口，为高性能镍基合金热处理优化提供理论支撑。
李海山|杨勇|赵洪健|张欢欢|李伟|赵莉|王涛|田伟|高胜勇|王彦伟|李克然|李东阳|李本鹏|冯文静|李宁|李爱民
河北工业大学材料科学与工程学院新型功能材料重点实验室，高性能轧制材料与复合成形国家重点实验室，中国天津300401
摘要
本研究系统地探讨了热处理工艺对GH4065A合金微观结构和高温拉伸性能的影响。结果表明，热处理参数控制着初级γ'相的溶解和次级γ'相的沉淀行为，同时也会影响晶粒尺寸和其他相的沉淀，最终决定了合金的高温力学性能。次级γ'相的沉淀过程受到过饱和度和时效参数的共同调控，包括形核、生长和奥斯特瓦尔德熟化等步骤。固溶处理温度和时效温度是影响合金高温性能的关键因素：前者控制初级γ'相的特性和过饱和度，而后者与过饱和度一起决定了次级γ'相的沉淀行为。1070°C × 2小时的固溶处理和760°C × 16小时的时效处理组合在650°C时可使合金的屈服强度达到1088 MPa，拉伸强度达到1509 MPa，并保持良好的塑性，因此被认为是GH4065A合金推荐的熱處理方案之一。本研究为GH4065A合金的热處理工艺优化提供了实验证据和理论支持。
引言
以镍为基础的超合金在650至1000°C的温度范围内表现出高强度以及优异的抗氧化和抗腐蚀性能。这些合金具有卓越的高温性能，广泛应用于航空航天发动机中的燃烧室、工作叶片和涡轮盘等部件[1]、[2]。随着航空航天产业的快速发展，飞机的推重比不断提高，发动机部件的工作温度也随之上升。这一趋势推动了耐变形高温合金在涡轮盘领域的研究和应用。下一代航空航天发动机涡轮盘的工作温度已超过700°C[3]。目前，GH4065A[3]、[4]、[5]、HAYNES 282[6]、718plus[7]和GH4738[8]等合金已成为这些应用的首选材料。
GH4065A合金是一种先进的镍基超合金，类似于美国的René 65合金，它是在基于粉末冶金技术的R88DT合金基础上优化而来的。尽管GH4065A合金采用传统的铸造和锻造工艺生产，但其高温力学性能可与粉末冶金合金相媲美，从而显著降低了生产成本。由于其优异的高温强度、抗氧化性和抗蠕变性，它被广泛用于航空航天发动机中的关键热端部件，如涡轮盘[3]、[4]、[6]。GH4065A的最大使用温度可达750°C，预计将在中国的下一代航空航天发动机中得到广泛应用[5]。
GH4065A合金的主要强化相是γ'相，其化学组成为Ni?(Al, Ti)[9]、[10]。该相在合金中占较大比例，主要由大的初级γ'颗粒和小的次级γ'颗粒组成[11]。GH4065A合金的整体性能并非直接由其化学成分决定，而是主要受γ'相沉淀行为的影响。此外，合金的性能还受到晶粒细化、固溶强化和加工硬化等多种机制的影响[12]、[13]、[14]。李等人的研究[15]表明，初级γ'相对晶界迁移具有显著的钉扎作用。张等人在研究GH4065A的固溶处理时发现，随着浸泡温度和时间的增加，合金的晶粒尺寸会增大，尤其是在1300–1350 K的温度范围内晶粒尺寸增长明显。热处理作为控制沉淀物分布和体积分数以及合金晶粒尺寸的关键方法，直接影响材料的强度、延展性和高温稳定性，从而决定了其力学性能。季等人[12]基于固溶处理实验建立了GH4065A的γ'相溶解和晶粒生长动力学方程，揭示了在过高的固溶温度下初级γ'相的溶解是导致晶粒快速生长的主要原因。白等人[11]发现次级γ'相的粗化与GH4065A在不同温度下时效后的强度下降之间存在直接关系。王等人[3]研究了惯性摩擦焊接接头中GH4065A的微观结构和力学性能，而李等人[17]进一步探讨了不同热处理条件下GH4065A摩擦焊接接头的微观结构和力学性能差异。
在工业上，通常采用“标准热处理方案”（包括固定的固溶处理+时效处理）来热处理镍基超合金。然而，该方案仅满足一般的性能要求，可能无法充分发挥材料的潜力或满足不同服役条件下的特定性能需求[3]、[18]。随着现代工业对性能要求的不断提高，优化热处理工艺以进一步控制镍基超合金的微观结构和力学性能已成为当前研究的热点。Oguntuase等人[18]发现，在718Plus合金的标准热处理过程中，过多的η相颗粒会在晶界区域沉淀，显著降低合金的力学性能。因此，他们结合实验和热力学模拟结果开发了一种新的热处理工艺，显著提高了合金的性能。Katsari[19]采用L8正交实验设计系统研究了各种工艺参数对René 65合金中γ'相沉淀行为的影响，并据此开发出性能更优的热处理工艺。尽管已有大量研究讨论了热处理对镍基超合金微观结构和性能的影响[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]，但关于热处理参数对GH4065A合金微观结构和性能影响的系统研究仍然不足。特别是，关于锻造GH4065A合金中γ'相（初级γ'和次级γ'相）的多尺度沉淀行为，以及这些沉淀物与高温拉伸性能之间的定量关系仍较为有限。例如，固溶温度和时间的改变会直接影响晶粒生长和初始沉淀物的溶解程度[22]；即使是对时效工艺进行微调，也会显著影响次级γ'相的沉淀特性[19]。热处理参数的控制不当可能导致强化相沉淀不足或晶界处缺乏强化相，从而恶化材料性能[20]。因此，系统研究不同热处理条件下GH4065A的微观结构和性能演变具有重要的理论价值和工程意义，有助于在实际工业生产中实现性能突破。
本研究采用L9正交设计，系统研究了四个热处理参数（A/B/C/D）对GH4065A合金在650°C下的微观结构和拉伸性能的影响，确定了各参数的影响顺序和最佳工艺窗口。研究重点分析了热处理工艺对合金微观结构均匀性、晶粒尺寸、沉淀物特性和次级γ'相沉淀行为的影响。同时深入探讨了关键工艺参数影响的强化相沉淀动力学（形核和生长）的核心机制，最终建立了次级γ'相沉淀行为的机理图。通过将微观结构特征与高温力学性能测试结果相关联，揭示了热处理参数、微观结构和性能之间的内在关系。确定了最佳工艺窗口，并建立了基于目标性能的热处理工艺优化方法。本研究有望为GH4065A合金的热处理工艺开发提供坚实的实验证据和理论支持，为镍基超合金的相变行为和强化机制提供了宝贵的见解。这些发现可为航空航天等领域关键部件的性能优化和可靠性提升提供技术指导，也为下一代高性能高温合金的热处理方案开发提供了宝贵的数据和经验。
材料与加工
本实验使用的材料是由中航商大超合金有限公司提供的GH4065A合金棒材。实验中使用的合金实际元素组成见表1。GH4065A合金通过三熔炼工艺（真空感应熔炼+电渣重熔+真空自耗电极重熔）制备成直径490毫米的锭材。均匀化处理后，对其进行多道次拉伸和镦粗锻造。
微观结构均匀性和沉淀相分析
图4显示了不同热处理条件下GH4065A合金的背散射电子（BSE）图像。固溶处理和时效处理后，GH4065A中主要观察到两种类型的沉淀物：大量棕色沉淀物和少量黑色沉淀物。图5展示了3000倍放大下的S1 BSE图像及其相应的元素分布。棕色沉淀物主要由Ni、Al和Ti组成，而黑色沉淀物...
结论
本研究系统分析了GH4065A合金的微观结构演变与其高温性能之间的关系，揭示了热处理参数如何通过调控微观结构演变过程来控制性能。具体而言，热处理参数控制着初级γ'相的溶解和次级γ'相的沉淀行为，包括初级和次级γ'相的尺寸、分布和形态。
作者贡献声明
冯文静：数据整理。
李宁：方法论设计、概念构思。
李东阳：撰写 – 审稿与编辑。
李本鹏：形式分析。
李爱民：方法论设计。
杨勇：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理。
赵洪健：撰写 – 审稿与编辑。
李海山：撰写 – 初稿撰写、验证。
赵莉：项目管理、调查。
王涛：调查。
张欢欢：监督、调查。
李伟：资金筹集。
王彦伟：利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢国家自然科学基金委员会（项目编号2025ZD0609700）、中国科学技术部（项目编号52371063和52072110）、河北省科技计划（项目编号24461001D和22567635H）、中国国家留学基金委员会（项目编号CSC 202306700013）以及河北省博士研究生创新能力培训计划（项目编号CXZZBS2024037）的财政支持。
