718Plus合金：从微观到宏观，揭秘高温性能与热处

作者：admin 发布时间：2024-12-12 15:38点击：

高温合金因其在熔点以下展现出的卓越力学性能，在航空航天及燃气涡轮喷气发动机部件制造中得到了广泛应用。这些优异性能与合金的微观组织及析出相特性紧密相关，其中晶粒尺寸、沉淀物的大小与数量、位错结构以及沉淀物与位错间的相互作用对合金的硬度、抗蠕变性、屈服强度和断裂韧性等具有显著影响。通过精心选择高温合金的成分及后续热处理工艺，可以优化其微观组织，进而提升力学性能。
长期以来，镍基超合金IN718（或GH4169）一直是高温环境下应用的标准材料。然而，当温度超过650℃时，IN718合金中的强化相γ"会迅速发生过时效，转变为稳定的δ相，导致合金的力学性能，特别是蠕变性能大幅下降。为弥补这一缺陷，1997年美国ATI Allvac公司成功研发了新型时效沉淀强化型镍基高温合金——ATI 718Plus。该合金有效填补了650℃下IN718合金与750℃下Waspaloy（国内牌号GH4738）合金之间的温度应用空白。
目前，国内外对718Plus合金的显微组织及力学性能已有深入研究。研究表明，热处理工艺参数直接影响718Plus合金的组织演变，进而显著影响其力学性能。鉴于718Plus合金出色的综合性能及其在航空航天领域的巨大应用潜力，本文综述了国内外关于热处理制度对718Plus合金显微组织及力学性能影响的研究进展，并探讨了热处理工艺与部分成形工艺匹配的必要性及其对合金组织和性能的影响。

718Plus高温合金的相组成及特点

718Plus合金在IN718合金的基础上，通过添加约1%的W和9%的Co，降低Fe元素含量至10%，并调整Al+Ti含量及Al/Ti比值，获得了优化的化学成分（如表1所示）。718Plus合金的显微组织以γ相（面心立方）奥氏体为基体，通过热处理析出强化相以提升高温性能。标准热处理制度包括954～982℃固溶处理1小时，空冷，随后在788℃保温2～8小时，再炉冷至704℃保温8小时。经过标准热处理后的718Plus合金组织形貌如图1所示，主要析出相为γ'相、δ/η（η-Ni₃Al₅Nb₅）相及少量γ"相和碳化物MC相。其中，γ'相作为主要的强化相，对合金性能起着关键作用；η相多以杆状或短棒状分布于晶界，其分布和形貌对合金力学性能有显著影响；而γ"相处于热力学亚稳态，最终可能转化为更稳定的δ/η相。

γ'相对718Plus合金的强化机制

718Plus合金中γ'相的生长过程伴随着合金性能的显著变化。在固溶阶段，γ'相溶解，合金整体硬度较低；随着固溶温度的升高，合金硬度变化不大。而在时效阶段，由于γ'相的析出并快速球状生长，合金硬度显著提升。然而，γ'相的尺寸并非越大越好。金属材料的变形和破坏特性与其内部位错运动特征密切相关。当镍基合金中的γ'相发生粗化后，位错运动主要表现为绕过γ'相，导致沉淀强化作用随沉淀相尺寸增大而逐渐减弱。张顺咏等研究了镍基高温合金中γ'相粗化后的硬度退化等特征，发现沉淀相体积分数及粗化程度对合金硬度具有显著影响。
此外，研究表明，热处理前结合不同的合金成形工艺能在一定程度上提高合金的力学性能。例如，超声冲击辅助电弧增材成形与热处理工艺的协同作用能显著提升718Plus合金的抗拉强度和显微硬度。而电弧微铸锻复合增材制造成形技术（HARAM）结合热处理工艺也能有效提高718Plus合金的性能。HARAM技术成形的718Plus合金室温抗拉强度提高，同时γ'相的生长形貌会显著影响合金的形变特征。
Wu等研究了718Plus高温合金在热变形期间γ'相的组织形貌变化及热处理后γ'相的作用。热处理后，原生的γ'相呈球形，平均粒径约为35nm。在热变形期间，γ'相轻微粗化，但由于其原始粒径相对较小，即便粗化后仍保持着较小的粒径和球形形态。因此，718Plus合金中γ'相的存在会阻碍合金变形过程中位错的运动，增加合金的力学性能。然而，这也可能导致合金在γ'相附近更容易产生断裂源，使塑性下降。
Ahmadi等利用模拟软件MatCalc研究了718Plus合金在时效过程中的屈服强度变化。结果表明，718Plus合金的屈服强度是由晶界、固溶强化、加工硬化和沉淀强化共同作用的结果。其中，沉淀强化（即γ'相的形成）对合金屈服强度的影响最大。由于γ'相与基体之间的晶格错配度较小，在较长时间的时效后，析出相与基体之间仍能保持共格取向。时效过程中析出强化随着γ'相含量的增加而增加，直至达到屈服强度峰值。进一步的时效导致析出相粗化，从而降低屈服强度。相较于不同γ'相直径引起的合金屈服、抗拉强度差异，γ'相含量的不同对合金屈服、抗拉强度的影响更为显著。
此外，针对718Plus合金的焊接性能也开展了较多研究。通过优化焊接工艺（如钨极氩弧焊、电子束焊和激光焊等）可以改善焊接接头的持久性能，有利于718Plus合金在更广泛领域的应用。然而，经过标准热处理制度后的718Plus合金组织在电子束焊接过程中可能会表现出一定的缺口敏感性。因此，与热处理制度更好的焊接工艺匹配时，应考虑适当降低焊后冷却速度，以提高热影响区的晶界η相含量。同时，不同的焊接工艺对热处理后的718Plus合金性能也存在显著差异。因此，为保证和提高718Plus合金的总体性能，需要开展材料特性与加工过程的工艺匹配研究，以满足不同零部件的制造需求。

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