Inconel 718高溫合金

Inconel 718高溫合金廣泛應用於航空、航天、電力和國防等領域中複雜金屬結構構件的製造， 其高溫抗疲勞效能和 蠕變持久強度與成形加工過程中微觀組織的演變密切相關。 以往的研究側重於鎳基合金熱加工（如定向凝固、熱處理、鍛造 和焊接等）工藝引數的最佳化， 較少從析出相控制的角度來闡明冷軋、熱變形、焊接等工藝與高溫服役效能之間的內在聯絡。 本 文介紹了該合金中不同型別的析出相， 包括： 主要強化相（g‘’ 相）、輔助強化相（g‘ 相）、g’‘ 相的平衡相（d相）， 以及MX型碳氮化 物和Laves相； 論述了鎳基合金製備過程中不同型別析出相的析出機制及其對合金高溫效能的影響； 指出了鎳基合金高能 電子束焊接過程中， 焊接熱影響區微裂紋形成的影響因素。

高溫合金是當今航空、航天、電力和國防等領 域的關鍵金屬結構材料， 廣泛應用於渦輪盤、葉片、 螺栓、導向器、壓氣機盤、機匣等各種重要零件的制 作。 近年來， 研究人員圍繞高溫合金成分設計與純淨 化處理、熱處理組織控制原理、定向凝固單晶制 備技術、高溫蠕變行為、表面熱障塗層製備和 鐳射立體成形技術等方面開展了系統工作， 並取 得了顯著進展。 然而， 如何在提高合金純淨度和可 加工性的同時避免成分偏析、加工裂紋的形成， 如 何透過組織設計與控制來進一步提高其熱強性和 熱疲勞效能等關鍵問題仍亟待解決。 其中， 合金組 織的析出相選擇與控制是一個關鍵因素。

Inconel 718化學成分

Inconel 718 高溫合金是 1959 年由美國研發的 一種Ni-Cr-Fe基變形合金（對應中國牌號GH4169）， 1962 年， 美國國際鎳公司對其申請了專利保護。 由 於其具有良好的高溫組織穩定性、抗氧化腐蝕效能 和焊接效能， 優異的抗疲勞和抗蠕變效能， 已成為 當前應用最為廣泛的高溫合金之一（佔世界高溫合 金總產量的40%~50%）。 作為航空發動機結構材料， Inconel 718合金在服役過程中受高溫、應力、腐蝕等 綜合作用， 其工作狀態受疲勞-蠕變互動作用， 服役 壽命與服役條件下合金微觀組織的演變密切相關， 特別是在650 ℃以上長期服役時， 合金中的主要強 化相 g″相將發生粗化或向 d 相轉變。 闡明析出相 在服役過程中的析出與演變規律對進一步延長Inconel 718合金的使用壽命具有重要意義。 以往 Inconel 718 合金研究工作的開展主要集 中於定向凝固、熱處理、鍛造、高溫疲勞與蠕 變效能等方面， 較少從析出相析出與演化角度來 分析冷軋、熱變形、焊接過程中微觀組織的演化及 其與高溫效能的內在聯絡。 基於此， 本工作將首先 介紹 Inconel 718 高溫合金中不同型別析出相的相 關特性， 闡明鎳基合金不同製備工藝過程中析出相 的析出與演化行為， 論述不同型別的析出相對合金高溫效能的影響， 指出Inconel 718合金電子束焊接 過程中， 熱影響區微裂紋的萌生機制。

Inconel 718高溫合金基體g相與亞穩g″相晶格 錯配度較大， g″相通常以共格對應關係在 g 相基體 中呈圓盤狀彌散析出， 為主要強化相。 亞穩 g″相高 溫長期服役時將粗化長大並逐漸失去與基體g相的 共格對應關係， 最終發生向d相的轉變， 其析出溫度 區間為595~870 ℃， 溶解溫度區間為870~930 ℃。 一般在基體中彌散析出的輔助強化g’相其晶格常數 與基體g相十分相近， 較低的g‘相/g相介面能有利於 改善 g’相的組織穩定性［； g‘相的析出溫度區間為 593~816 ℃， 溶解溫度區間為 843~871 ℃。 在加 工、時效和熱處理過程通常會析出具有 Cu3Ti 型正 交有序結構的d相（亞穩g’‘相的高溫穩定相）形成， 其 析出溫度為780~980 ℃。 關於其析出最快的溫度區 間尚存在爭議， 一般認為在890~900 ℃， 也有報道 指出應在930~950 ℃； 其起始溶解溫度為980 ℃， 完全溶解溫度區間為 1020~1038 ℃。 一般認為， d 相在低於 900 ℃時效時， 在 g’相和 g‘’相析出後呈針 狀析出； 高於900 ℃時效時， 直接從基體中呈短棒狀 析出。 Inconel 718高溫合金鑄錠或者焊縫凝固過程中將析出MX相和Laves相。 少量MX型碳氮化物在 晶界和晶內呈塊狀分佈， 可以起到抑制晶粒長大的 作用； Laves相在凝固和熔焊時均會以塊狀或島狀 在枝晶間析出。 MX型碳氮化物的原子排列緻密， 熱 穩定性強， 高溫服役時因變形難以協調將導致碳氮 化物及其與基體介面結合處破碎， 從而成為疲勞裂 紋源。 Laves 相的析出將消耗大量 Nb 原子， 惡化合 金效能。

Inconel 718合金組織的析出相種類繁多， 相場 模擬為深入探究析出相的析出與演變機制提供了 新的手段。 Zhou 將 Inconel 718 合金簡化為 NiAlx-Nby偽三元合金， 建立了g‘， g’‘和d相的定量相場 模型， 利用相場法研究了過飽和 g基體相中析出的 共沉澱相的微觀組織形貌， 指出g’和 g‘’相在基體中 均勻形核， d相由於較高的介面能而無法均勻形核； g‘相為等軸晶， 而g’‘的3個變體在（111）截面上相互成 120°， 呈透鏡狀。 上述方法雖然大大簡化了模擬過 程， 但將g’相形成元素簡化為單一的Al， 無法體現各 組元間的相互作用， 這必將影響到g‘相粗化過程模 擬的可靠性， 也無法展示出g’‘相向d相的轉變可能 導致的組織失穩和效能惡化。

在高溫合金析出相析出與演變研究中， 採用計 算機模擬的研究鮮見報道， 這是因為多元多相合金 中組元間的相互作用、相的析出和微觀組織演化十 分複雜， 採用計算機模擬存在許多困難。 但是計算 機模擬可為實驗設計提供指導和預測， 也可對一些 實驗手段無法探究的物件進行研究。 隨著計算機技 術的飛速發展和模擬方法的不斷改進和完善， 計算 機模擬必將在高溫合金組織設計和調控方面發揮 越來越重要的作用。

Inconel 718 高溫合金部件也採用冷變形 加工， 如渦輪發動機的壓氣機葉片採用鍛造+冷輥 軋工藝， 冷變形可對析出相的析出產生影響。 Wei等研究了預冷軋對合金中d相析出的影 響， 指出冷變形可提高d相的形核速率並降低其臨 界形核能， 促進了d相的析出與粗化。 Mei等分析 研究了不同冷軋程度對高溫固溶處理後合金組織 中析出相析出動力學和形貌演化的影響。 不同程度 冷軋的 Inconel 718 合金試樣在升溫過程中均依次 出現2個放熱峰， 即g’‘相和d相析出峰。 g’‘相析出峰 隨著冷軋程度的增大不斷地向低溫方向移動， 而d 相析出峰隨著冷軋程度的增大先向高溫方向移動 而後又向低溫方向移動， 冷軋過程中 形成的位錯可促進g’‘相的形核過程。 g’‘相的析出將 導致貧Nb區域的形成， 從而延緩d相的析出； 另一 方面， 冷軋程度越高， 再結晶後晶粒尺寸越小， d相 的形核位置越多。 d相的析出受貧Nb效應和再結晶 共同作用所決定。 950 ℃時效時， 隨冷軋程度的增 加， d相的析出量呈遞增趨勢且析出形貌由長條狀 逐漸變為短棒狀或球狀。

Inconel 718 合金是以 g’‘相為主要強 化相的時效硬化型高溫合金。 一定溫度下， 亞穩g’‘相 轉變為正交有序結構的穩態d相； 當溫度繼續升高 時， d相含量逐漸減少直至完全消失。 高溫拉伸過 程中應變誘導析出的 d 相可促進微孔的形成及合 並長大， 損害其高溫疲勞效能。 若晶粒尺寸較大， 形變誘導析出的沉澱相， 將導致高溫拉伸變形初 始階段的加工硬化以及拉伸變形後期的流變軟 化現象。 Huang 等指出上述現象與變形過程中d 相形態和數量的變化有關。 針狀/板條狀d相的析 出密度隨應變數增加呈遞減趨勢， 而塊狀/球狀d相 數量則隨應變增加呈遞增趨勢。 d相的形貌與鎳基 合金的高溫效能密切相關， 棒狀d相會促進微孔形 核， 應變程度相對較大時誘發微孔聚集並導致塑性 降低， 而針狀d相可以阻止晶粒長大、微孔的形核和 擴充套件。

鎳基合金中d相的相對含量及析出位置均會對 其抗疲勞效能產生影響。 Deng等指出d相可提高 合金的抗疲勞強度和壽命， d相存在時， 疲勞裂紋的 潛伏期佔整個疲勞壽命的 90%。 此外， 沿晶界分佈 的d相可阻礙由高溫氧化誘發產生的脆化現象， 從 而使裂紋的擴充套件模式由穿晶斷裂過渡到穿晶-沿晶 混合斷裂模式。 根據 Hu 等的研究， 晶界析出 d 相 的周圍區域存在位錯纏繞， 導致位錯運動受阻從而 提高了晶界強度。 低周疲勞下， 合金在高應變幅下 的疲勞壽命基本不受d相含量變化的影響； 而在較 小應變幅下的疲勞壽命則具有一定的分散性， 並隨 著d相含量的增加而增加。 Wang等則認為沿富Nb 邊界形成的 d 相消耗了大量的 Nb 原子， 導致合 金成分發生偏離； 過量d相的存在導致在其周圍形 成貧g’‘相區並降低了合金的高溫低周疲勞效能； 而 晶界及d相與基體g相的非共格對應屬性是導致晶 界破壞的原因。 合金在650 ℃應變控制低周疲勞過程中出現的 迴圈軟化行為則與g’‘相的尺寸變化有關。 合金組織 中的g’‘強化相經運動位錯的剪下作用後， 緊隨其後 在相同滑移面上的位錯會繼續剪下g’‘相， 持續的循 環變形使g’‘強化相尺寸減小， 直到g’‘相失去對位錯 運動的阻礙作用， 最終導致迴圈變形軟化並形成平 面滑移帶。 對於鎳基合金的高溫熱強性， 高密度的細小g’‘ 相可起到較強的彌散強化作用， 顯著提高合金的蠕 變抗力。 Tian 等對比了等溫鍛造和熱連軋合金 經時效處理後的高溫蠕變行為， 指出熱連軋合金具 有較好的蠕變抗力。 熱連軋合金中大量細小的g’‘相 彌散析出， 同時高密度位錯誘發蠕變位錯發生單取 向或雙取向滑移， 可有效減緩應力集中， 延緩晶界 處裂紋的產生。

Caliari 等認為當溫度高於 650 ℃， 其蠕變強 度的降低與內應力的減少及蠕變過程中g’‘相向d相 的轉變有關。 田素貴等［57］比較了經時效和標準熱處 理工藝後等溫鍛造合金的高溫蠕變行為， 指出標準 熱處理合金內析出的針狀d相可削弱晶界的結合強 度， 當蠕變期間產生的應力集中值大於晶界的結合 強度時， 可在晶界處發生裂紋的萌生與擴充套件， 從而 具有較低蠕變抗力。 Kuo 等研究時效對合金蠕變 效能的影響時也發現， 無d相存在時， 合金蠕變壽命 可提高2倍， 且蠕變伸長率提高了4~5倍； d相存在 時， 由於晶界滑移受阻， 蠕變伸長率只有1。5%， 斷裂 方式由沿晶斷裂轉變為穿晶斷裂。 合金中P組元在 晶界處的偏聚可阻礙晶界處合金元素的擴散， 直接 或間接影響晶界處d相的析出和長大， 阻礙晶界滑 移的進行， 改善合金的抗蠕變效能。

Yeh等［62］則認為因d相沿基體密排面的取向分 布而產生的齒狀晶界有利於合金蠕變壽命的提高。 少量沿晶界析出的 d 相可提高合金的塑性， 球狀 d 相可起到釘扎作用並控制晶粒尺寸大小， 延長高溫 蠕變壽命。 綜上所述， 鎳基合金的高溫抗蠕變效能主要由 分佈於其中的高密度的細小 g’‘相決定， 適量的d相 一定程度上可改善合金的熱強性。 但是， d相析出量 增多時， 將消耗過多的沉澱強化元素而使合金的效能急劇下降， 蠕變應變速率增大， 惡化材料的高溫 效能。

Inconel 718 合金因其比較遲緩的時效效應而 具有良好的應變時效裂紋抗力， 從而具有其它同類 合金無法比擬的焊接效能， 然而， 熔池區有害 Laves相的析出以及熱影響區微裂紋的形成是其焊 件推廣的最大障礙。 在該方面， 固相焊接技術（如摩擦 焊、擴散焊）取得了很好的成效， 如Damodaram 等指出採用摩擦焊可有效避免熔池中 Laves 相形成。 受固相焊接技術本身加工區域大小和形狀的限制， 探索有效的熔焊方法仍然具有相對重要的意義。 Idowu等指出焊接時高能量輸入可以減小合金熱 影響區裂紋形成； Manikandan等發現提高焊接冷 卻速率可以減少熔池區網狀Laves相的形成。

為解決上述問題， 作為高能量液態焊的電子束 焊接技術具有如下明顯的優勢： 一是具有低於普通 電弧焊的能量輸入， 其熔池區和熱影響區較小， 焊 接殘餘應力和變形較低； 二是較低的能量輸入會 導致熔合區具有較高的冷卻速率， 減小了熔合區 Laves相的含量和尺寸； 三是電子束焊的高能量密 度可大大減少焊接的總時間。

Mei等研究了不同母材晶粒尺寸大小和焊接 掃描速度對電子束焊 Inconel 718 高溫合金焊接接 頭組織和效能的影響， 發現其電子束焊熔池的深寬 隨母材晶粒尺寸的增大而增大， 而焊接速度與熔池 區幾何形狀之間無明顯的對應關係。 焊接速度將顯 著影響Inconel 718高溫合金熔池中心的元素分佈。 隨著焊接速度的減小， 成分偏析現象加劇（組元Nb 或Ti的再分配係數減小， 組元Cr， Fe和Ni的再分配 係數增大）。 電子束焊試樣熱影響區的微裂紋傾向於在晶 界處萌生並沿著晶界分佈， 且孔洞大部分在碳氮化 物附近產生， 亞穩g’‘相的長大過程相對緩慢， 有利於 減少焊接熱影響區的應變時效破裂傾向。 此外， 母 材的晶粒尺寸越大， 焊接速度越快， 熱影響區微裂 紋敏感性越高。 給出了不同焊速下試樣的平 均裂紋長度和總裂紋長度的統計資訊。 不難看出， 當焊接速度降低時， 總裂紋長度大幅度地減小而平 均裂紋長度只是少許地減少。 因此， 提高焊接速度 將增加電子束焊接頭熱影響區的裂紋敏感性。

結論

Inconel 718高溫合金作為代表性的變形鎳基合 金， 廣泛應用於高溫複雜構件的製造， 其高溫服役 效能與析出相的析出與演化過程密切相關， 如何通 過系統闡明成形與加工過程的組織演化規律、明確 高溫抗疲勞效能和蠕變效能與析出相析出之間的 內在聯絡已成為鎳基合金發展的重點。 本文較為全 面地總結了Inconel 718高溫合金的析出相種類、析 出條件與演化規律； 概括了形變工藝對析出相析出 的影響機制， 析出相與高溫效能的對應關係， 同時 結合電子束焊接接頭組織和效能分析， 指出了不同 母材晶粒組織和焊接速度對其接頭組織和微裂紋 形成過程的影響。

（1） Inconel 718合金組織中存在基體g相、主要 強化 g’‘相、輔助強化 g’相、少量的 d 相（g‘’相的平衡 相）、MX型碳氮化物和有害的Laves相。 高密度的細 小g‘’相決定著鎳基合金的高溫效能， 過量d相的析 出將消耗過多的沉澱強化元素而使合金的效能急 劇下降。

（2） 不同熱變形工藝下， 析出相的析出較為複雜 和多樣， 進而影響Inconel 718高溫合金的熱疲勞性 能和抗蠕變效能， 認識熱變形過程中微觀組織的演 化規律對選定合適的工藝加工引數具有重要的指 導價值。

（3） 冷軋對Inconel 718高溫合金升溫及高溫時 效過程析出相的析出有一定的影響： 隨著冷軋程度 增加， g‘’相的析出溫度降低， 而d相的析出溫度先升 高再降低， 這主要是受g‘’相的析出導致貧Nb區的形 成和動態再結晶導致的軟化綜合作用的結果。 在g‘’ 相的析出溫度範圍時效時， 冷軋促進 g‘’相向d相轉變， 而在d相的析出溫度範圍時效時， 冷軋將促進d 相的析出和球化。

（4） 母材晶粒尺寸和焊接掃描速度均會影響電 子束焊Inconel 718合金熱影響區的裂紋敏感性。

（5） Inconel 718 合金組織中存在相當複雜的析 出相析出與演化關係， 這決定了在不同的成形與加 工工藝條件下高溫合金構件的組織與效能差異顯 著。 近年來發展起來的相場模擬技術必將為合金組 織析出相的析出與演變規律分析提供有效指導。 總之， 闡明高溫合金成形與加工工藝、析出相 與高溫效能之間的內在聯絡將在相當長的時間內 主導高效能高溫合金的研發與應用推廣。