GH4169微观组织特点

GH4169高温合金的组织是奥氏体γ基体，碳化物，稳定相δ(Ni3Nb）相和作为强化相体心四方的γ”(Ni3Nb）和γ'(Ni3(Al,Ti,Nb))组成。因为与普通沉淀强化高温合金的面心立方γ'(Ni3Al，Ti)相不同，GH4169高温合金的基体和沉淀相之间的共格畸变能比较大，所以该合金在较广的温度范围(-253~650℃)内得到了广泛的应用，它的瞬时工作温度(尤其在火箭发动机中)可高达到800℃。

该高温合金在温度为650℃以下有高的塑性和强度、良好的耐腐蚀性和抗疲劳强度。由于GH4169高温合金中基体和沉淀相之间的共格畸变能比较大，使得该高温合金在从较低温度(-253℃)到较高温度650℃这一相当宽的温度范围内性能和组织都能够保持稳定，所以成为深冷温度到高温这相当宽的温度范围内应用最广泛的高温合金。

1)基体:

基体γ为面心立方结构，主要是Ni元素(Ni的含量达到53%时，屈服强度可以得到最高)。能够溶入大量的Co、Mo、Cr等合金元素，晶格点阵常数是0.3616nm。在时效过程中，将从基体中析出三种不同的沉淀相〕 (γ'、δ、γ”) 。

2)γ'相:

γ'相的成分是Ni3(Al、Ti、Nb)，为面心立方LI2结构，Ni原子位于面心位置，Al原子位于面心立方点阵的顶点处，点阵常数a是0.3590nm，形状为球形，与奥氏体基体的点阵常数0.3616nm相近，相差一般小于1%。γ'相的析出是沿基体{100}面，并与基体是共格关系，γ与γ"相之间的界面能较低，所以相比较之下γ相组织稳定性较高。γ'的溶解温度范围为843℃~871℃,析出温度范围为593℃～816℃。虽然基体与γ相共格，但是其共格应变较低，因此共格强化作用相比较于y"相小很多。

3) γ"相:

作为该合金的主要强化相（γ"相)，其形状为圆盘状，成分为Ni3Nb，属于体四方DO22结构，它的单位晶胞及(111)面上的原子排列情况如下图所示。该相的晶胞结构可以看成是由2个Ll2结构状的晶胞沿某一方向堆垛而成，中间作为反相畴界，铌原子占据四方晶胞的体心以及八个角位置，镍原子占据平行c轴的棱中心和面心位置，c轴/a轴之比大约为2.04。在DO22结构中，(112)为密排面，每两层之间相当于滑移了1/3(121)距离，每六层密排面成为一个堆垛循环，原子层堆垛顺序为:A1BB1C1A2B2BC2A1BB1C1...。γ"相的点阵常数:c=0.7406nm, a=0.3624nm。

强化相γ"的特点是可以获得比较高的屈服强度，这是因为基体γ与强化相γ"之间的点阵错配度较大（2.86%)，显著的共格应力强化效果造成的。由于γ"相是个亚稳的过渡相，在长期的高温作用下，γ"相非常容易聚集并且长大，并且γ"相向δ相的转变会发生，因此失去共格性，导致强度的大大降低。因此，GH4169高温合金的工作温度小于650℃~700℃。因为γ'与基体的界面非常适宜于γ"相生成,所以，我们总是发现γ"相析出在γ相的(100)面上,γ"相析出温度大约为595℃~870℃，溶解温度为870℃~930℃，析出峰值的温度大约为732℃~760℃。

γ"相呈圆盘状，是GH4169合金的主要强化相，是体心四方晶系的亚稳定相。720℃析出的尺寸较小，在870℃保温期间析出的尺寸较大，所以该合金的时效温度设置在720℃。

4)δ相:

δ相是正交结构，其(010)面原子排列和单位晶胞如图所示。γ"相(112)的密排面与δ相(010)的密排面原子排列相同，密排面的堆垛方式是不同的，ABABABAB...是δ相密排面的堆垛顺序。δ相晶胞的点阵常数为: c=0.4534nm ,b=0.4231nm，a=0.5141nm，{111}为惯习面。在富Nb的晶界和孪晶上，δ相大多以一定取向呈短棒状或针片状析出，位于晶界上的球形8相却被研究者发现是无规则取向的。根据有关的文献报道，δ相的晶粒大小是与尺寸有关的，8相的长度随着品粒尺寸的增加也在增加。δ相的析出需要一定的孕育期且析出温度约为780℃~980℃。据相关的文献报道:孕育期的长短和固溶温度有显著关系，孕育期随着固溶温度的增高而增长，这有可能是因为温度越高，δ相溶解越充分而引起的，δ相的平衡量在时效过程中与晶粒度有关，可供δ相形核的总晶界的面积随着晶粒长大降低了,所以,δ相析出的数量减少。因为δ相的溶解温度为982~1037℃，小于δ相溶解温度范围以下的固溶处理，品粒长大的能够由合金中原来存在的δ相控制。

5)NbC和 TiN:

NbC的结构在熔炼过程中形成的面心立方结构，在显微镜的观察下，NbC是灰色的块状夹杂。这种NbC是稳定的，而且直到接近GH4169 的熔点也很稳定，在常规的固溶时效热处理过程中都不发生任何变化。合金晶界上形成的NbC 膜是在700一800℃时效处理时形成的，有时这种NbC膜对品界的塑性不利。在晶内γ"相和δ相常常围绕着NbC的周围36。

另外，GH4169高温合金中的析出相和Nb含量有重要关系。RADAVICHI认为，Nb 的含量可以改变合金中相的含量，γ'相在Nb小于4%的条件下形成，δ相需要Nb含量为6~8%，形成γ"相所需Nb 的含量为4%。

夹杂物TiN是在合金凝固时形成的，在显微镜下该夹杂物呈有棱角(三角或四角）的金粉红色或黄色块状。作为面心立方结构，其性质稳定，并且在后续的热处理过程中不参与转变，TiN还可以起到控制晶粒长大的作用。另外，因为TiN数量少且稳定，不大引人注意。

GH4169合金相变

1)δ相溶解:

GH4169高温合金是主要强化相为γ"(Ni3Nb）相的时效硬化型高温合金材料。在达到一定温度的情况下，亚稳的γ”(Ni3Nb）相会向稳定的δ (NiNb）相转变;温度继续升高会使δ相含量逐渐减少直到完全消失。蔡大勇等分析了有关δ相溶解的行为，如图所示GH4169高温合金δ相的溶解过程。从图中可以看到，δ相的溶解过程可以理解为δ相的形状变化的过程。如图所示，呈针状或者棒状的δ相出现于溶解的开始阶段，随着温度和保温时间的提高，δ相溶解开始，体现为δ相在某一部位发生了裂解，其形状逐渐由针状变为了几个短棒状，部分短棒状δ相随着时间的延长变为了颗粒状。δ相溶解根据保温温度的不同达到平衡状态甚至完全溶解。982~1037℃为δ相的完全溶解温度。

2) γ"→δ转变:

GH4169是含Nb量较高的镍基高温合金材料。在凝固过程中，δ相析出在Ti、Nb较高的枝晶间，在γ"相的层错上δ相会首先形核，δ相形核后将会长入基体，并且最终基体上取代原来的"相，最后形成了δ相。δ相到γ"相的转变过程Nb元素会被吸收，贫γ"带在δ相两侧形成。如图所示，δ相的析出形状在高温度下为短棒状，在较低温度下为针状。

由于γ"相在650℃向δ相转变且长期应用期间会集聚、粗化，随之降低的是材料强度，因此长期使用下GH4169合金的温度应小于650℃。