微量元素P、B对GH4706合金力学性能的影响

随着国内外涡轮盘用变形高温合金的发展，表现出难变形化与大型化的趋势。目前，我国面临超大型GH4706合金涡轮盘锻件的国产化需求，需要解决该合金的基础研究与工艺优化问题。本文以超大型GH4706合金涡轮盘锻件试制亟待解决的微量元素优化为主要研究内容，研究 P、B元素含量对其力学性能的影响，并探讨作用机制。结果表明，加人中限P、B元素能够在不影响GH4706合金其他力学性能的基础上显著改善持久性能。

关键词：GH4706合金；微量元素P、B；持久性能；断口形貌

引言

GH4706合金是一种Fe-Ni基变形高温合金，与GH4169合金相同主要靠γ”相强化合金，可制备直径900mm以上的大锭型，因而适合于制备直径超过2000mm的重型燃机用超大型涡轮盘锻件。随着涡轮盘锻件直径的增大，在设备能力限制的情况下，大型涡轮盘锻件的热变形参数无法达到理想值，难以避免出现力学性能的衰减。GH4706合金的持久性能尤为突出，常常因此而达不到标准要求，亟待优化。大量研究表明，通过微量元素P、B含量优化能够改善Fe-Ni基变形高温合金的持久性能。最典型的例子是IN718(GH4169)合金，P、B元素的复合添加能够大幅度的提高其持久寿命，因此目前美国航空发动机涡轮盘用IN718合金均适量添加P、B元素。然而，P、B元素对GH4706合金力学性能的影响尚无文献报道。为此，本文研究微量元素P、B含量对GH4706合金力学性能的影响，以探讨超大型涡轮盘锻件用GH4706合金力学性能优化的新途径，分析P、B元素对Fe-Ni基变形高温合金持久性能的作用机制。

1 试验方法

选用高纯原材料利用真空感应炉制备低 P、B含量的GH4706母合金，直径70mm、重120kg。  再利用25kg真空炉将母合金分炉重熔，每炉次冶炼过程中分别加入不同含量的P、B元素。GE-B50A651标准中规定GH4706合金的P、B元素上限分别为200*10-6与60*10-6，由于超大型铸锭的成分波动倾向大，易出现成分超限而导致钢锭判废的情况。因此，本研究在标准成分范围内分别按中、下限配入P、B元素，表1为不同炉次P、B含量预期值与实测值。

不同炉次铸锭经1150℃保温6h后采用快锻机开坯为40mm方材，然后在1140℃温度下热轧为直径15mm棒材。将合金棒材经标准热处理（980℃*1h，空冷 720℃*8h炉冷至620℃*8h，空冷）后加工为试样进行组织观察与力学性能测试。

表1 G114706铸锭P、B含量预期值与实测值

2 试验结果

JXA-8530型EPMA元素面分析，结果表明，并不是所有晶界上均有P元素的偏聚，这种P元素偏聚与晶界性质之间的关系还需要进一步研究。值得指出，对B元素进行EPMA面扫描分析未发现其有明显的晶界偏聚特征，应为合金中B元素的含量较低(37*10-6)所致。

通过分析P、B元素对GH4706合金常规力学性能的影响，可以发现P、B元素对室温拉伸与冲击性能的影响不明显，且相对GE标准均匀较大裕度。图1(a)、(b)示出了P、B元素对GH4706合金持久性能的影响，可见，中限P、B元素的复合加入显著改善了合金的持久性能，持久寿命与塑性比下限 P、B试样提高200%；单独加入中限P元素对持久性能影响不大；单独加入中限B元素可小幅改善合金的持久性能。这一规律在合金的650℃拉伸性能也表现出来，复合加入中限P、B与单独加入中限B的试样拉伸强度与塑性（断面收缩率更为明显）比下限P、B与单独加入中限P的试样有所提高。

分析持久断口可以发现，GH4706合金典型的持久断口由沿晶断裂区与穿晶断裂区两部分组成，少量持久性能优异试样（复合加入中限P、B）的持久断口却呈典型的杯锥状形貌，几乎不含沿晶断裂区。需要注意的是，也有少量复合加入中限P、B的试样为典型的持久断口形貌，但其持久寿命与具有杯锥状形貌的试样大致相当（300h左右）。对该类断口形貌进行分析，如图2所示，可见近裂纹源（试样表面）的沿晶断裂区氧化明显，而沿晶扩展的裂纹前端的断口表面几乎无氧化，表明合金裂纹沿晶扩展的时间占其持久寿命的较大比例。由此可知，复合加入中限P、B的试样持久寿命显著延长的表观原因可归纳为两类：(1)萌生自试样表面的沿晶裂纹源的形成被抑制，形成裂纹源自试样内部萌生的杯锥状断口；(2)沿晶裂纹的扩展被抑制，形成严重氧化的早期沿晶断裂面(见图2(a))。

对表现出相同规律的650℃拉伸试样断口进行分析，可以发现一个明显的规律：下限P、B试样的断口侧面有大量明显的沿晶界开裂口；而中限P、B试样的断口侧面几乎无开裂现象，仅可发现少量因滑移痕交叠而形成的表 面缺陷(见图3(a)、(b))。这表明，GH4706合金中复合加入P、B元素能够改善合金在高温下（650℃）的晶界结合力，进而提高其表面的抗裂纹萌生能力。这也进一步说明，在高温应力(650℃/690MPa)条件下，合金持久性能的改善与晶界结合力的提高有关。

3 讨论

关于P、B元素对Fe-Ni基变形高温合金持久性能的具体作用机制，目前尚无定论。不过，可以肯定的是P、B的作用与某种晶界效应有关。Mclean与Strang认为，微量元素只有通过局部富集才可能对高温合金的力学性能产生明显影响。至今，学者们提出的可能机制包括对晶界结合力、晶界能与晶界扩散的影响，抑制晶界有害元素的偏析，对晶界析出相的影响，对位错的阻碍作用以及与环境介质之间的交互作用。

本研究对不同P、B含量的GH4706合金进行力学性能测试可以发现，单独加B元素能够改善GH4706合金的持久性能，而单独加P元素则无此作用，复合添加P、B元素后P能够增大B元素的改善持久性能的作用。EPMA分析结果表明，P元素在GH4706合金的晶界处偏聚，但B元素是否偏聚尚无证据。由持久断口与拉伸断口的形貌分析说明，GH4706合金持久性能的改善很大程度上取决于P、B元素的添加提高了合金晶界的结合力。

GH4706合金的应力加速晶界氧化(SAGBO)现象较为普遍，即在应力作用下合金的沿晶界氧化会加速发生。Rosler等发现GH4706合金涡轮盘表面渗B后能够改善SAGBO，表明B元素的加人能够抑制合金与空气介质的交互作用。Harkeg-ard等分析认为GH4706合金的持久寿命与SAGBO有关，为此采取持久试样表面镀镍的方法来隔绝空气，结果发现镀镍后试样的持久寿命有所提高。Ulrich等采用抽真空的办法，发现控制真空度能够影响IN718合金的裂纹扩展速率。实质上，合金的持久寿命包括裂纹形成寿命与裂纹扩展寿命。上述分析表明，对于GH4706合金这类Fe-Ni基变形高温合金，P、B元素的复合添加改善合金持久性能的关键在于其抑制了空气介质对裂纹扩展的加速效应，进而表现为提高了晶界结合力。

4 结论

(1)GH4706合金中复合加入中限P、B元素能够在不损失拉伸与冲击性能的基础上显著提高持久性能，持久寿命可提高200%左右。

(2)含下限 P、B合金的拉伸断口侧面形貌有明显的沿晶界开裂现象，加入中限 P、B后能够消除这种现象，说明P、B元素改善了合金的晶界结合力。