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热处理对GH2132高温合金力学性能的影响
摘要：设计了一种工艺能使GH2132高温合金的拉伸性能远远高于1100MPa，此研究主要通过变形和热处理来控制GH2132合金的组织与性能。结果表明：GH2132高温合金通过变形可以细化晶粒，变形后经过热处理可以改善组织均匀性与综合性能。两种热处理方式：一是固溶+时效热处理方式能保证伸长率大于20％时，将GH2132高温合金的抗拉强度提高到1240MPa；二是直接时效热处理方式能保证伸长率大于13％时，将GH2132高温合金的抗拉强度提高到1400MPa。
GH2132高温合金是一种25Ni-15Cr-Fe基变形高温合金．主要用作650℃下的涡轮盘和紧固件，其含有Ti、A1和其他微量合金元素，主要通过时效析出γ相Ni3(Ti，A1)来强化，GH2132高温合金的主要特征是在工作温度和室温都表现出相似的力学性能，是由稳定的流变应力决定的，同时由于Cr的存在，使得GH2132高温合金有良好的抗腐蚀性能。
由于GH2132高温合金具有突出的抗松弛能力、耐腐蚀能力和良好的综合性能，适于作航空紧固件。目前强度为1100MPa级的高强级螺栓用30CrMnSiA和16CrSiNiA等低合金结构钢．由于其不耐腐蚀的致命弱点，已不适于继续应用。但由于目前使用的GH2132合金棒材其使用GB／T 14997-94．抗拉强度仅为931MPa，迫切需要达到1 100MPa级高强度要求来满足工作条件和保证航空安全。本文选取GH2132高温合金变形后的最大变形量合金，对其重点进行热处理研究，得到了与之相对应的两套热处理制度，得到了更加优异的综合性能指标，将对GH2132高温合金其他变形量的热处理制度有着借鉴意义。
1实验材料和方法
用于此实验的GH2132合金是经真空感应炉和电渣重熔冶炼的，其化学成分见表1。
表1 GH2132合金的化学成分(质量分数，％)
Tab．1 The chemical composition of GH2132 alloy(wt'％)
GH2132合金在1080℃保温均匀化后．经热轧机由Ø37mm轧到Ø9.5mm，空冷；然后把Ø9.5mm的盘条在950℃固溶1.5h后油冷，接着把冷却后的盘条在冷拔机上经过以下6个道次拉拔到Ø4.45mm，为防止晶粒的异常长大，冷变形量必须超过6％，具体冷拔道次如下：
Ø9.50一Ø7.78一Ø7.08一Ø6.28一Ø5.58一Ø4.99一Ø4.45。
Ø4.45mm GH2132合金丝被切成200mm的长条后放入马弗炉进行不同方式的热处理，热处理后经打磨、抛光在AG-100KNG拉伸试验机上进行性能测试。热处理后的GH2132合金显微组织都在扫描电镜下观察。扫描前所有的样品经机械抛光。然后用1．59CuS04+40mLHCI和20mLCH3COOH腐蚀液来观察微观组织的晶粒度，γ的大小和分布。
2实验结果与分析
2．1单一固溶的影响
单一固溶对GH2132高温合金的拉伸性能影响不大．如表2所示，即固溶时间从l h延长到3h，GH2132合金的抗拉强度σb和屈服强度σ0.2都没有显著变化，基本保持在700MPa和300MPa，GH2132合金在固溶态具有良好的塑性，伸长率δ和面收缩率分别在39％～44％和68％～71％，随固溶时间的延长，GH2132合金伸长率和面收缩率尽管有轻微的下降。但可认为塑性基本不随固溶时间的延长而发生变化。由于GH2132合金主要是由γ相析出沉淀强化，固溶后析出相和各种强化元素都回到γ奥氏体基体中，没有第二相的沉淀强化作用，单一的奥氏体基体表现出低强度高塑性的特点。
表2GH2132合金900℃固溶后的拉伸性能
2．2时效对固溶的作用
GH2132合金在表2固溶的基础上进行710℃x16h时效处理后的拉伸性能结果见表3。通过对比可以看出，在各固溶时间下，时效能在固溶的基础上将GH2132合金的抗拉强度σb由700MPa提高到1200MPa，屈服强度σ0.2由300MPa提高到700MPa，但时效态塑性相对固溶态来说大幅度下降，伸长率δ由40％下降到24％，面收缩率由70％下降到40％。这主要是由于时效能使固溶态的奥氏体析出第二相γ相，起沉淀强化的作用，以切割机制阻止变形时位错的运动，一方面有利于GH2132合金强度的提高；但另一方面会降低其塑性，因此显示出时效后GH2132高温合金强度升高，塑性下降的现象。
表3 GH2132合金900℃固溶+710℃时效后的拉伸性能
与固溶态拉伸性能几乎不随固溶时间的影响截然不同，时效态拉伸性能随固溶时间的延长(从1～3h)，GH2132合金的抗拉强度逐渐提高，屈服强度逐渐降低，伸长率和面收缩率也有少量上升。
GH2132高温合金的抗拉强度随固溶时间延长逐渐提高，是由于固溶时间的延长，促使固溶处理越充分，固溶时把含有Ni、Ti、AL的各种碳化物、氮化物或其他含有这些元素的相重新溶入GH2132合金里。为时效析出提供足够充分的Ni、Ti、AL元素，为析出数量更多的γ相Ni3(Ti，A1)，如图l所示，γ相以切割机制或绕过机制阻止变形时位错的运动，促使GH2132合金得到强化。因此，固溶时间越长，析出相越多，GH2132合金强化程度越大，即抗拉强度越高。
图1 GH2132合金900℃固溶+710℃x16h时效后的扫描照片
但GH2132合金中γ相析出数量的增加是不利于塑性的，因此γ相析出增加的同时，会有回复和再结晶软化机制，随固溶时间的延长，回复和再结晶也逐渐充分。正如图1(c）中晶粒表现出均匀性最好。
因此，随固溶时间的延长，γ相析出强化与回复和再结晶软化机制是同时进行的，在强化作用方面，γ相对强度的增加大于回复和再结晶的软化；在塑性方面，γ相对塑性的减弱作用小于回复和再结晶的增加作用，通过这两种机制的双重作用，使GH2132高温合金强度和塑性都得到提高，最终达到良好的综合性能。
2．3不同时效制度的影响
GH2132合金经过900℃固溶1．5h后进行不同的时效处理，其拉伸性能如表4所示。可看出，低温二级时效(720℃x16h+660℃xl6h)最有利于GH2132合金的拉伸性能，能将其抗拉强度提高到1240MPa，高温二级时效(760℃xl6h+700℃xl6h）最不利于GH2132合金的拉伸性能，其抗拉强度仅为1130MPa，一级时效性能居中。并随时效温度的降低，抗拉强度有上升的趋势。
表4时效工艺对室温强度的影响(900℃固溶1．5h)
由GH2132高温合金的热处理可知，冷变形后合金的织构稳定性变差，二级时效比一级时效更有利于合金性能的稳定，第一次时效应在比通常采用的时效温度较高的温度下进行，随后在比通常时效温度较低的温度下进行第二次时效。第一次时效可使析出相γ聚集长大，并逐渐颗粒化，从而使GH2132合金的塑性、韧性得到提高，缺口的敏感性下降。然后在低的温度下进行第二次时效，增加γ相的析出量，并改善其分布。使GH2132合金的屈服强度得到提高。故低温二级时效(720℃x16h+660℃x16h)能使GH2132合金得到最高的抗拉强度1240MPa和屈服强度815MPa，而且伸长率和面收缩率良好的综合性能。正如图2(e)所示，析出相由大颗粒的γ相和弥散细小的γ相综合组成，保证GH2132合金具有良好的综合性能。
但高温二级时效(760*Cxl6h+700℃x16h)却使GH2132合金的抗拉强度最低，这是由于其时效温度太高，析出了尺寸较大而且数量较多的碳化物M23C6。如图2(d)、(f)所示，碳化物会降低晶界强度和减小强化相γ相的析出，从而使GH2132合金的抗拉强度降低。
一级时效随着时效温度的降低抗拉强度逐渐变高，屈服强度逐渐降低，伸长率和面收缩率基本保持不变，分别在24％和38％左右。抗拉强度的提高，说明GH2132合金在700℃时效比高温时效有更大的强化作用。冷变形后GH2132合金内部聚集畸变能，能促进时效γ相的析出，时效温度比一般时效温度要低点，当时效温度较高时，GH2132合金原子的扩散要快，更易析出，且析出相尺寸大，易偏聚，正如图2(a)、(b)所示，因此较低的时效温度比高的时效温度更易析出弥散细小的γ相．从而使强化作用增加。
2．4直接时效的影响
冷变形后的GH2132合金直接时效后的拉伸性能如表5所示。时效温度为600～700℃时，抗拉强度和屈服强度逐渐减小，分别从1650、1560MPa降低到1330、1150MPa。伸长率和断面收缩率逐渐升高，分别由4％和19％上升到13％和24％。
表5 GH2132合金直接时效后的拉伸性能
由此可见，经过冷变形的GH2132合金，由于冷变形加速了γ相的沉淀，采用较低的时效温度就能使GH2132合金得到最大的强化效果。与50％冷变形量GH2132合金在600℃时效可以达到最大硬度一致。虽然时效温度越低，GH2132合金的强化效果越显著，但与此同时，塑性也越差，可见直接时效温度对GH2132高温合金性能有着双重影响。在促使强度提高的同时会导致塑性的下降。GH2132合金时效时的强化和软化作用是由两个因素决定的：γ相的析出尺寸和数量，回复后的晶粒和亚结构。
时效温度较低时．析出均匀细小且数量较多的γ相，如图3(a)所示，随时效温度的升高，γ相逐渐变大，颗粒数量变少，如图3(b)～(f)。这主要是由于时效过程中，GH2132合金原子通过空位等缺陷扩散并形核，时效温度越高，溶质原子扩散越快，析出相长大所需时间越短，溶质原子析出时易聚集，越有利于析出长大，故最终导致析出相颗粒比较大，数量少。较大较少的γ相会使GH2132合金的强化作用降低，塑性上升，因此时效温度越高，强度越低，塑性越高。
时效温度对亚结构强化作用的影响与γ相一致。亚结构是合金经过冷变形后导人了大量的位错，随后时效时，奥氏体基体中发生回复而形成了亚晶组织【9】。时效温度较低时，奥氏体基体回复较小，仍保留了大量的亚结构和变形了的晶粒，随时效温度的升高。奥氏体基体发生的回复越来越大，亚结构随着多边化等回复过程而逐渐消失．晶粒也逐渐回复，如图3所示。亚结构的消失和晶粒的等轴化也会使强度降低，塑性升高。
因此，γ相、回复后的晶粒和亚结构都随着时效温度的升高，使GH2132高温合金的强化作用降低，塑性提高。从表5中可看出．680℃直接时效最有利于GH2132合金的综合性能。
3 结论
(1)GH2132高温合金对单一固溶不敏感，抗拉强度保持在700MPa左右，屈服强度保持在300MPa左右，伸长率和断面收缩率都很高，分别为40％和70％左右。
（2）710℃时效能将固溶后的GH2132合金的抗拉强度提高500MPa，达到1200MPa，屈服强度提高400MPa。达到700MPa，但会使伸长率和断面收缩率降低，仍然符合使用需求，分别为25％和40％左右。
(3)经过不同冷变形后的GH2132合金可以使用两种热处理工艺来强化合金，分别为固溶+时效制度和直接时效制度。固溶+时效热处理工艺为900℃固溶2．5h油冷，720℃x16h+660℃x16h空冷，保证GH2132合金伸长率δ>22％时．抗拉强度能达到1240MPa以上，直接时效热处理工艺为680℃直接时效，保证δ>12％时，抗拉强度能达到1400MPa以上。
GH2132高温合金是一种25Ni-15Cr-Fe基变形高温合金．主要用作650℃下的涡轮盘和紧固件，其含有Ti、A1和其他微量合金元素，主要通过时效析出γ相Ni3(Ti，A1)来强化，GH2132高温合金的主要特征是在工作温度和室温都表现出相似的力学性能，是由稳定的流变应力决定的，同时由于Cr的存在，使得GH2132高温合金有良好的抗腐蚀性能。
由于GH2132高温合金具有突出的抗松弛能力、耐腐蚀能力和良好的综合性能，适于作航空紧固件。目前强度为1100MPa级的高强级螺栓用30CrMnSiA和16CrSiNiA等低合金结构钢．由于其不耐腐蚀的致命弱点，已不适于继续应用。但由于目前使用的GH2132合金棒材其使用GB／T 14997-94．抗拉强度仅为931MPa，迫切需要达到1 100MPa级高强度要求来满足工作条件和保证航空安全。本文选取GH2132高温合金变形后的最大变形量合金，对其重点进行热处理研究，得到了与之相对应的两套热处理制度，得到了更加优异的综合性能指标，将对GH2132高温合金其他变形量的热处理制度有着借鉴意义。
1实验材料和方法
用于此实验的GH2132合金是经真空感应炉和电渣重熔冶炼的，其化学成分见表1。
表1 GH2132合金的化学成分(质量分数，％)
Tab．1 The chemical composition of GH2132 alloy(wt'％)
| c | Mn | Ti | Si | s | Al | P | Mo | Cr | Ni | V | B | Fe |
| ≦ | ≦ | 1.8 ~ | ≦ | ≦ | ≦ | ≦ | 1.0~ | 13.5~ | 24.0~ | 0.10~ | 0.001~ | 余 |
| 0.08 | 1.0-2.0 | 2.35 | 1.00 | 0.02 | 0.40 | 0.03 | 1.5 | 16.0 | 27.0 | 0.50 | 0.01 |
Ø9.50一Ø7.78一Ø7.08一Ø6.28一Ø5.58一Ø4.99一Ø4.45。
Ø4.45mm GH2132合金丝被切成200mm的长条后放入马弗炉进行不同方式的热处理，热处理后经打磨、抛光在AG-100KNG拉伸试验机上进行性能测试。热处理后的GH2132合金显微组织都在扫描电镜下观察。扫描前所有的样品经机械抛光。然后用1．59CuS04+40mLHCI和20mLCH3COOH腐蚀液来观察微观组织的晶粒度，γ的大小和分布。
2实验结果与分析
2．1单一固溶的影响
单一固溶对GH2132高温合金的拉伸性能影响不大．如表2所示，即固溶时间从l h延长到3h，GH2132合金的抗拉强度σb和屈服强度σ0.2都没有显著变化，基本保持在700MPa和300MPa，GH2132合金在固溶态具有良好的塑性，伸长率δ和面收缩率分别在39％～44％和68％～71％，随固溶时间的延长，GH2132合金伸长率和面收缩率尽管有轻微的下降。但可认为塑性基本不随固溶时间的延长而发生变化。由于GH2132合金主要是由γ相析出沉淀强化，固溶后析出相和各种强化元素都回到γ奥氏体基体中，没有第二相的沉淀强化作用，单一的奥氏体基体表现出低强度高塑性的特点。
表2GH2132合金900℃固溶后的拉伸性能
| 固溶时何/h | «(%) | *(%) | ||
| 1 | 7003 | 3332 | 44.0 | 70.7 |
| 1.5 | 693.9 | 317.5 | 42.0 | 68.5 |
| 2 | 690.6 | 300.6 | 42.0 | 68.4 |
| 25 | 6903 | 291.7 | 42.7 | 70.6 |
| 3 | 6972 | 292.5 | 39.5 | 692 |
2．2时效对固溶的作用
GH2132合金在表2固溶的基础上进行710℃x16h时效处理后的拉伸性能结果见表3。通过对比可以看出，在各固溶时间下，时效能在固溶的基础上将GH2132合金的抗拉强度σb由700MPa提高到1200MPa，屈服强度σ0.2由300MPa提高到700MPa，但时效态塑性相对固溶态来说大幅度下降，伸长率δ由40％下降到24％，面收缩率由70％下降到40％。这主要是由于时效能使固溶态的奥氏体析出第二相γ相，起沉淀强化的作用，以切割机制阻止变形时位错的运动，一方面有利于GH2132合金强度的提高；但另一方面会降低其塑性，因此显示出时效后GH2132高温合金强度升高，塑性下降的现象。
表3 GH2132合金900℃固溶+710℃时效后的拉伸性能
| 固溶时何/h | σb/MPa | σ0.2/MPa | δ(%) | 面收缩率(%) |
| 1 | 1190.6 | 7372 | 23.3 | 38.9 |
| 1.5 | 1193.6 | 733.6 | 23.7 | 38.7 |
| 2 | 1194.8 | 736.7 | 24.0 | 415 |
| 2.5 | 1203.7 | 712.7 | 24.0 | 43.1 |
| 3 | 1208.7 | 680.6 | 243 | 43.7 |
与固溶态拉伸性能几乎不随固溶时间的影响截然不同，时效态拉伸性能随固溶时间的延长(从1～3h)，GH2132合金的抗拉强度逐渐提高，屈服强度逐渐降低，伸长率和面收缩率也有少量上升。
GH2132高温合金的抗拉强度随固溶时间延长逐渐提高，是由于固溶时间的延长，促使固溶处理越充分，固溶时把含有Ni、Ti、AL的各种碳化物、氮化物或其他含有这些元素的相重新溶入GH2132合金里。为时效析出提供足够充分的Ni、Ti、AL元素，为析出数量更多的γ相Ni3(Ti，A1)，如图l所示，γ相以切割机制或绕过机制阻止变形时位错的运动，促使GH2132合金得到强化。因此，固溶时间越长，析出相越多，GH2132合金强化程度越大，即抗拉强度越高。
图1 GH2132合金900℃固溶+710℃x16h时效后的扫描照片
但GH2132合金中γ相析出数量的增加是不利于塑性的，因此γ相析出增加的同时，会有回复和再结晶软化机制，随固溶时间的延长，回复和再结晶也逐渐充分。正如图1(c）中晶粒表现出均匀性最好。
因此，随固溶时间的延长，γ相析出强化与回复和再结晶软化机制是同时进行的，在强化作用方面，γ相对强度的增加大于回复和再结晶的软化；在塑性方面，γ相对塑性的减弱作用小于回复和再结晶的增加作用，通过这两种机制的双重作用，使GH2132高温合金强度和塑性都得到提高，最终达到良好的综合性能。
2．3不同时效制度的影响
GH2132合金经过900℃固溶1．5h后进行不同的时效处理，其拉伸性能如表4所示。可看出，低温二级时效(720℃x16h+660℃xl6h)最有利于GH2132合金的拉伸性能，能将其抗拉强度提高到1240MPa，高温二级时效(760℃xl6h+700℃xl6h）最不利于GH2132合金的拉伸性能，其抗拉强度仅为1130MPa，一级时效性能居中。并随时效温度的降低，抗拉强度有上升的趋势。
表4时效工艺对室温强度的影响(900℃固溶1．5h)
由GH2132高温合金的热处理可知，冷变形后合金的织构稳定性变差，二级时效比一级时效更有利于合金性能的稳定，第一次时效应在比通常采用的时效温度较高的温度下进行，随后在比通常时效温度较低的温度下进行第二次时效。第一次时效可使析出相γ聚集长大，并逐渐颗粒化，从而使GH2132合金的塑性、韧性得到提高，缺口的敏感性下降。然后在低的温度下进行第二次时效，增加γ相的析出量，并改善其分布。使GH2132合金的屈服强度得到提高。故低温二级时效(720℃x16h+660℃x16h)能使GH2132合金得到最高的抗拉强度1240MPa和屈服强度815MPa，而且伸长率和面收缩率良好的综合性能。正如图2(e)所示，析出相由大颗粒的γ相和弥散细小的γ相综合组成，保证GH2132合金具有良好的综合性能。
但高温二级时效(760*Cxl6h+700℃x16h)却使GH2132合金的抗拉强度最低，这是由于其时效温度太高，析出了尺寸较大而且数量较多的碳化物M23C6。如图2(d)、(f)所示，碳化物会降低晶界强度和减小强化相γ相的析出，从而使GH2132合金的抗拉强度降低。
一级时效随着时效温度的降低抗拉强度逐渐变高，屈服强度逐渐降低，伸长率和面收缩率基本保持不变，分别在24％和38％左右。抗拉强度的提高，说明GH2132合金在700℃时效比高温时效有更大的强化作用。冷变形后GH2132合金内部聚集畸变能，能促进时效γ相的析出，时效温度比一般时效温度要低点，当时效温度较高时，GH2132合金原子的扩散要快，更易析出，且析出相尺寸大，易偏聚，正如图2(a)、(b)所示，因此较低的时效温度比高的时效温度更易析出弥散细小的γ相．从而使强化作用增加。
2．4直接时效的影响
冷变形后的GH2132合金直接时效后的拉伸性能如表5所示。时效温度为600～700℃时，抗拉强度和屈服强度逐渐减小，分别从1650、1560MPa降低到1330、1150MPa。伸长率和断面收缩率逐渐升高，分别由4％和19％上升到13％和24％。
表5 GH2132合金直接时效后的拉伸性能
| 时效温度/ X) | σb/MPa | σ0.2/MPa | δ(%) | 面收缩率(%) |
| 0 | 1284.1 | 1151.7 | 0.6 | 47.4 |
| 600 | 1657.5 | 1564.6 | 4.0 | 19.4 |
| 620 | 1623.9 | 1632.6 | 5.5 | 22.3 |
| 640 | 1560.2 | 1442.8 | 6.0 | 21.2 |
| 660 | 1488.7 | 1343.3 | 11.7 | 23.2 |
| 680 | 1417.7 | 1276.4 | 13.5 | 24.4 |
| 700 | 1330.4 | 1151.4 | 11.5 | 22.8 |
由此可见，经过冷变形的GH2132合金，由于冷变形加速了γ相的沉淀，采用较低的时效温度就能使GH2132合金得到最大的强化效果。与50％冷变形量GH2132合金在600℃时效可以达到最大硬度一致。虽然时效温度越低，GH2132合金的强化效果越显著，但与此同时，塑性也越差，可见直接时效温度对GH2132高温合金性能有着双重影响。在促使强度提高的同时会导致塑性的下降。GH2132合金时效时的强化和软化作用是由两个因素决定的：γ相的析出尺寸和数量，回复后的晶粒和亚结构。
时效温度较低时．析出均匀细小且数量较多的γ相，如图3(a)所示，随时效温度的升高，γ相逐渐变大，颗粒数量变少，如图3(b)～(f)。这主要是由于时效过程中，GH2132合金原子通过空位等缺陷扩散并形核，时效温度越高，溶质原子扩散越快，析出相长大所需时间越短，溶质原子析出时易聚集，越有利于析出长大，故最终导致析出相颗粒比较大，数量少。较大较少的γ相会使GH2132合金的强化作用降低，塑性上升，因此时效温度越高，强度越低，塑性越高。
时效温度对亚结构强化作用的影响与γ相一致。亚结构是合金经过冷变形后导人了大量的位错，随后时效时，奥氏体基体中发生回复而形成了亚晶组织【9】。时效温度较低时，奥氏体基体回复较小，仍保留了大量的亚结构和变形了的晶粒，随时效温度的升高。奥氏体基体发生的回复越来越大，亚结构随着多边化等回复过程而逐渐消失．晶粒也逐渐回复，如图3所示。亚结构的消失和晶粒的等轴化也会使强度降低，塑性升高。
因此，γ相、回复后的晶粒和亚结构都随着时效温度的升高，使GH2132高温合金的强化作用降低，塑性提高。从表5中可看出．680℃直接时效最有利于GH2132合金的综合性能。
3 结论
(1)GH2132高温合金对单一固溶不敏感，抗拉强度保持在700MPa左右，屈服强度保持在300MPa左右，伸长率和断面收缩率都很高，分别为40％和70％左右。
（2）710℃时效能将固溶后的GH2132合金的抗拉强度提高500MPa，达到1200MPa，屈服强度提高400MPa。达到700MPa，但会使伸长率和断面收缩率降低，仍然符合使用需求，分别为25％和40％左右。
(3)经过不同冷变形后的GH2132合金可以使用两种热处理工艺来强化合金，分别为固溶+时效制度和直接时效制度。固溶+时效热处理工艺为900℃固溶2．5h油冷，720℃x16h+660℃x16h空冷，保证GH2132合金伸长率δ>22％时．抗拉强度能达到1240MPa以上，直接时效热处理工艺为680℃直接时效，保证δ>12％时，抗拉强度能达到1400MPa以上。
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