杜金辉,1,2,毕中南1,2,曲敬龙2

20世纪50年代，国际镍公司的Eiselstein等计划为超临界蒸汽发电厂主蒸汽管道开发新型合金[1]，但是由于613℃、34.5 MPa的服役条件超越了当时新研材料的可承受能力而选择了降低设计指标。Eiselstein在这个“不成功”项目的基础上，经过进一步研究最终开发了现在全球用量最大的2个镍基合金：Inconel 625和Inconel 718。当Inconel 718合金中含有4%~6% (质量分数，下同)的Nb元素时，该合金在677~732℃时效后强度可显著提升，这有别于Al和Ti元素强化的A286和Waspaloy等合金，进而在航空发动机领域获得广泛应用。国际镍公司将Inconel 718合金专利授权给大量的镍基合金生产商使用，在多家实验室的优化和应用验证下，该合金在多个领域获得了广泛使用，成为全球用量最大、用途最广、产品种类与规格最齐全的高温合金，其产量占变形高温合金总产量的一半[2,3]。

GH4169合金(仿美Inconel 718合金)组织主要包括γ、γ″(Ni3Nb，D022)、γ'(Ni3(Al, Ti, Nb)，L12)、δ(Ni3Nb，D0a)和碳化物。通过成分、组织和工艺的搭配能够获得不同的性能，满足不同的应用环境。我国从1968年开始研制GH4169合金，早期主要用于航天和能源领域。从1984年开始研制航空发动机用GH4169合金涡轮盘，冶炼工艺为双联冶炼(真空感应熔炼(vacuum induction melting，VIM) +真空电弧重熔(vacuum arc remelting，VAR))和倒三联冶炼(VIM + VAR +电渣重熔(electroslag remelting，ESR))。随着我国航空发动机对GH4169合金部件服役寿命和全寿命周期成本要求的不断提高，2012年开始致力于三联冶炼(VIM + ESR + VAR) GH4169合金的研制。通过多年攻关，GH4169合金的化学成分不断优化，成分等级从普通提升到优质，再到高纯；合金性能不断提升，强度谱系不断完善，可以满足900~1700 MPa力学环境应用要求；合金制备技术不断改进，冶炼技术从双联冶炼提升到三联冶炼，开坯技术从单向拔长提升到镦拔+径锻联合开坯。GH4169合金品质的持续提升，满足了我国高端装备不断升级换代的需求。

以三联冶炼技术突破为牵引，我国对GH4169合金的均匀化、开坯、锻造和热处理等工艺进行了系统优化，对产业链的生产装备进行了大规模改进，完善了质量控制体系。本文综述了我国三联冶炼GH4169合金自2012年以来在基础研究、工艺技术、质量控制和应用研究等方面取得的进展，并对未来发展做了展望。

1 GH4169合金的化学成分

针对不同领域和性能的需求，国家标准GB/T 40303—2021《GH4169合金棒材通用技术条件》将GH4169合金分为普通级、优质级和高纯级3个等级(表1)。高纯级GH4169合金是指采用三联冶炼工艺制备的高纯净度的GH4169合金，在优质级GH4169合金化学成分基础上进一步缩窄了C、Cr、Nb、Mo、Al、Fe、P、S和O等元素的控制范围。P含量的适量增加可降低GH4169合金的稳态蠕变速率。为提高疲劳性能，GH4169合金的晶粒逐渐细化，但是晶粒细化降低了高温蠕变性能。因此，将P元素的含量从30 × 10-6提高到110 × 10-6，使细晶态GH4169合金在具有高强韧和高疲劳性能的同时，兼具优异的高温蠕变性能。与此同时，高纯级GH4169合金的Nb元素典型含量也从5.2%提高到5.4%，以进一步提高强度。P元素和Nb元素含量同时提高使GH4169合金的高温蠕变性能提高了2~3倍[2,3]。

表1GH4169合金主要化学成分 (mass fraction / %)

Table 1Chemical compositions of GH4169 alloy

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为了提高高温合金部件的可靠性和使用性能，对GH4169合金纯净度的要求不断提高，冶炼工艺由两联工艺升级为三联工艺。如图1所示，随着冶炼工艺的不断进步，GH4169合金的O和S等有害元素含量呈下降趋势。高纯级GH4169合金标准中O元素含量要求低于25 × 10-6，实测结果为(3~5) × 10-6。电渣重熔在脱硫方面效果显著，普通级、优质级和高纯级GH4169合金的标准S元素含量上限分别为80 × 10-6、20 × 10-6和10 × 10-6，三联工艺冶炼的高纯级GH4169合金S元素含量实测结果为(3~5) × 10-6。

图1

图1GH4169合金中S和O元素含量的演变过程

Fig.1Evolution processes of sulfur and oxygen element contents of GH4169 alloy

2 GH4169合金的三联冶炼技术

2.1三联冶炼技术简介

2.1.1 VIM冶炼技术

VIM是将装有炉料的坩埚置于真空室内，坩埚壁上的感应线圈在交流电作用下产生交变磁场，交变磁场激发的感应电流在物料内流动产生热量，热量把物料进行熔化精炼。其工作原理是电磁感应加热原理[4]。VIM可分为装料、熔化、精炼和浇注等几个阶段[5]。装料就是将物料按照原材料的熔点、比重、元素的活泼程度和挥发性程度装入坩埚的不同部位，装料过程要求下紧上松，防止炉料发生“架桥”现象；熔化期的主要任务是熔化炉料；精炼期的主要任务是提高液态金属的纯净度；浇注是将合金液倒入流槽，然后经过流槽进入锭模进行凝固。

浇注过程对铸锭的纯净度和质量有较大影响。流槽是位于浇注室内用于浇注的过渡装置，经过流槽中的挡渣板可将氧化渣上浮，合金液从流槽的出水口流出，再由引流嘴将合金液浇注到模铸室中的钢锭模中。流槽具有稳定注流、改善合金液的流动形态、促进合金液中的夹杂物上浮与分离等作用[6,7]。根据流槽优化准则[8,9]，结合合金液在流槽中的流动轨迹及停留时间的模拟计算结果，优化流槽的内部结构，增强流槽去除合金液中夹杂物的能力。通过图2的数值模拟可以看出，流体流向因挡墙挡坝发生明显的变化，在经过每一组挡墙挡坝时都会产生折返流，随后流体向上流动。挡墙挡坝延长了流体在流槽内的停留时间，流体以低速率将夹杂物带到自由液面，促使夹杂物在自由液面聚集长大，提高夹杂物的去除率。利用数值模拟可以观察VIM浇注锭模内不同时刻温度场变化情况、不同时刻凝固场变化情况和铸锭凝固后缩孔缺陷分布情况。图3为合金液在锭模内的温度及应力变化。当金属液在重力作用下落入锭模内时，将在锭模的激冷作用下开始降温，随着浇注过程逐渐推进，金属液上方的高温层厚度基本恒定。

图2

图2合金液在流槽内运动模拟的速度云图和流场迹线图

(a) flow velocity (b) flow field traces

Fig.2Simulation results of alloy liquid movement in the flow channel

图3

图3真空感应熔炼(VIM)浇注过程中不同时刻锭模内的温度分布模拟结果及弦向应力和轴向应力模拟结果

Fig.3Simulation results of temperature distribution (Tliquidus—liquidus temperature, 1373.3oC;Tsolidus—solidus temperature, 1276.7oC.t1-t8indicate different time) (a) and tangential stress (b) and axial stress (c) in ingot mold at different time during vacuum induction melting (VIM) pouring

2.1.2 ESR冶炼技术

ESR以电流通过熔渣产生的电阻热为热源，集电极熔化、钢液逐滴精炼、顺序凝固成型为一体，进一步提纯金属、改善铸锭质量[10,11]。在GH4169合金三联冶炼过程中，ESR一方面可以降低合金中S含量、减少大尺寸夹杂物数量、降低夹杂物平均尺寸，提高合金的纯净度；另一方面可以为VAR过程提供一个致密电极，降低出现冶金缺陷的概率。渣系在ESR过程中形成熔渣，熔渣的碱度、电导率和黏度等特性直接关系到高温合金的冶炼质量和铸锭的表面质量。熔渣具有较高的碱度有利于合金脱硫，Mills和Fox[12]给出了修正的熔渣光学碱度公式和相关成分的光学碱度。降低熔渣的电导率可以有效降低电耗，Sun和Guo[13]给出了熔渣电导率与渣系组成和温度的关系式。熔渣的黏度是熔渣流动性的直观体现，黏度越高则熔渣流动性越差。降低熔渣黏度，一方面可以提高熔渣流动性，从而加快炉内的热传递，稳定炉渣物理化学性质，保持其在炉内的一致性和稳定性；另一方面可以加快渣/金界面的传质速率，从而加快渣/金反应，有利于吸附夹杂物。降低熔渣中不稳定氧化物及变价氧化物的含量，可以防止Al、Ti等易氧化元素的过度烧损。减小熔渣的高温透气性可以防止金属熔池吸入大气。

变形高温合金ESR过程常用渣系以CaF2为基础，配入适当的A12O3、CaO、MgO、TiO2等氧化物。CaF2能降低熔渣的熔点、黏度和表面张力，但易造成环境污染；CaO能增大熔渣的碱度以提高脱硫效率，并降低熔渣的电导率以减小电耗，但其强吸水性易向合金中带入氢和氧；A12O3会降低熔渣的电导率以减少电耗，但提高熔渣的熔点和黏度，会降低脱硫效果；MgO能防止渣池吸氧及熔渣中变价氧化物向金属熔池传递供氧，但提高了熔渣黏度；TiO2能降低高温合金中Ti的烧损，但TiO2中含有变价氧化物，会向金属熔池传递供氧。考虑环境及使用的便利性，国内冶炼GH4169合金时在传统渣系瓦克渣2059 (表2中Domestic)的基础上进行了优化，得到更适用于GH4169合金三联冶炼的渣系。美国冶炼Inconel 718合金时选用渣系为CaF2-CaO-Al2O3三元渣系，主要考虑了CaF2能降低熔渣的熔点、增加流动性、提高铸锭表面质量的优点，但在CaF2对环境的污染方面考虑不足。GH4169合金渣系成分如表2所示。

表2GH4169合金渣系成分表 (mass fraction / %)

Table 2Compositions of GH4169 alloy slag

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ESR铸锭内部的夹杂物数量由边缘向中心逐渐递减。ESR作为三联冶炼的中间环节，熔炼完成后需要对铸锭表面进行车削处理，减少进入到VAR过程的夹杂物数量，但是车削量过大又导致材料的损耗。因此，ESR铸锭的车削量需要综合考虑材料损耗和夹杂物去除率的平衡。图4为ESR铸锭边缘各部位夹杂物的分布趋势。夹杂物的数量在距离铸锭边缘的距离超过18 mm后趋于平稳，因此将GH4169合金ESR铸锭表面车削量定为18~24 mm可有效降低铸锭表面夹杂物含量，改善电极纯净度。

图4

图4GH4169合金电渣重熔(ESR)铸锭边缘部位不同类型夹杂物的数量密度

Fig.4Quantity densities of different types of inclusions on the edge of electroslag remelting (ESR) ingot of GH4169 alloy

2.1.3 VAR冶炼技术

VAR是在高真空条件下，利用低压直流电弧作为热源将电极逐渐熔化成液滴后滴入铜结晶器内，使其形成金属熔池，金属熔池中的金属液体受结晶器的冷却作用逐渐凝固，最终形成以树枝状组织为主的铸锭[14~16]。VAR关键参数的合理匹配可获得低偏析、高纯净、组织致密及力学性能较优的合金铸锭[17~22]。VAR过程中主要有熔速、弧长和铸锭冷却速率3个关键参数。弧长主要控制熔滴尺寸和分布，为了抑制白斑的形成，高温合金主流冶炼方式为短弧熔炼。铸锭主要通过水冷加氦冷控制冷却速率，其中氦冷是指在铸锭与锭模中间充He气来冷却铸锭。铸锭的偏析情况可通过局部凝固时间来反应，局部凝固时间是指铸锭某一局部位置从开始凝固到凝固终止所需要的时间。局部凝固时间越短，铸锭的枝晶间距越小，铸锭偏析越轻。在铸锭冷却条件一定时，熔速是影响VAR过程最重要的参数，直接影响局部凝固时间、熔池深度和枝晶长度。数值模拟和工业铸锭解剖分析是优化VAR熔速最高效的方式。VAR过程数值模拟及3 t级工业VAR铸锭低倍组织形貌分别如图5a和b所示。VAR过程的数值模拟结果与实际铸锭解剖分析基本一致，可以有效指导工业生产。

图5

图5三联冶炼GH4169合金真空电弧重熔(VAR)铸锭低倍组织的数值模拟结果和实际解剖结果

Fig.5Macrostructures of vacuum arc remelting (VAR) ingot of GH4169 alloy produced by triple melt

(a) numerical simulation result

(b) actual anatomical result

2.2 GH4169合金铸锭的冶金质量

GH4169合金黑斑缺陷是指溶质元素的正偏析导致碳化物、碳氮化物、Laves相、μ相、Ni3Nb相或其他金属间化合物聚集，并在腐蚀面上呈现暗色区域。工业界普遍认为黑斑的产生是由于熔池糊状区中存在溶质元素对流的通道，溶质元素对流与枝晶间溶质元素偏析引起的密度变化有关[23](图6[23])。基于Rayleigh数对黑斑的预测判据进行研究和修正可以准确预测黑斑的形成。降低VAR过程的熔速可以有效避免GH4169合金黑斑缺陷的产生，黑斑缺陷在实际生产过程中出现较少。

图6

图6黑斑形成机理图[23]

Fig.6Freckles formation mechanism diagram[23]

由于碳化物减少或碳化物形成元素和强化元素减少导致的负偏析，并在腐蚀面上呈现的浅色区域称为白斑。白斑分为3种：凝固白斑、树枝状白斑和孤立白斑[24]。凝固白斑的形成原因与黑斑相似，都包含了枝晶间的溶质元素流动、扩散和再分配。熔池内大规模的溶质流动导致了枝晶间的元素流动，这可能会造成Nb的贫化(凝固白斑)。树枝状白斑是一种树枝状的微观组织缺陷，VAR电极不致密和电弧不稳定造成电极块掉落，电极块在掉落到熔池底部之前如果没有完全熔化就形成了树枝状白斑。GH4169合金典型的树枝状白斑的Nb含量在3.8%左右。孤立白斑在腐蚀面上呈明亮色，与正常组织有明显的边界。在VAR过程中，锭冠、格架和凸环上的固态物体掉落到正在凝固的熔池中，掉落物体在熔池内若没有完全熔化就会沉到熔池底部形成孤立白斑。孤立白斑中典型Nb含量约为2.5%，Nb的贫化比其他任何白斑都要严重。熔池表面漂浮的氧化物、氮化物等夹杂物附着在掉落物体上，会增加其熔化时间，进而形成孤立脏白斑。孤立脏白斑与正常组织界面处存在大量夹杂物团簇，夹杂物团簇易成为合金加工或服役过程中开裂的起始点。孤立脏白斑对于GH4169合金的危害比其他白斑都要大，孤立脏白斑能使GH4169合金的疲劳寿命显著降低[24~27]。

三联冶炼工艺中的ESR过程可以提高VAR过程电极的致密度和电弧的稳定性，解决了树枝状白斑问题。对VAR工艺参数和电弧稳定性进行优化和改善，进一步解决了凝固白斑问题。目前尚未找到有效解决孤立白斑尤其是脏白斑的办法，可以通过以下3种措施降低孤立白斑缺陷出现的几率。(1) 提高合金液的纯净度，熔池表面纯净度越高，掉落物体进入熔池时附着的夹杂物越少，孤立白斑的形成几率越低。(2) 减小VAR过程的填充比(电极直径/结晶器内径)，电极与结晶器壁的距离越大，冶炼时出现打侧弧的概率越低，从而减少锭冠、格架和凸环等位置发生掉块的频率；但填充比也不能过小，否则容易出现熔池不到边的现象。(3) VAR过程中合理控制熔速，增加熔池深度，提高固体掉块熔化的概率，也可以降低孤立白斑的形成几率[28,29]。

除了黑斑和白斑等冶金缺陷以外，高端装备对GH4169合金中的纯净度要求越来越高。GH4169合金受原材料纯净度及合金液对坩埚侵蚀影响，VIM过程会形成大量的夹杂物，除在VIM浇注环节以夹杂物上浮方式去除以外，ESR和VAR过程也能进一步降低夹杂物的含量。合金在VIM过程(炉料熔化期、精炼期及翻钢浇注期)以液态存在，夹杂物在合金液内通过自发析出或以先析出夹杂物为核心在其表面析出，形成了大量小尺寸夹杂物。在合金液浇注到锭模的过程中，小尺寸夹杂物受合金液湍流的影响发生相互碰撞结合，产生了部分大尺寸夹杂物。在ESR和VAR过程中，熔池内的金属液体受重力、Lorentz力及Coulomb力等作用力的耦合作用以不同方式流动，金属液流动过程中表现出明显的“排渣”现象，即夹杂物沿熔池表面向外泳动，大量夹杂物特别是大尺寸夹杂物在铸锭边缘富集，黏附在结晶器侧壁上，从而被去除[30,31]。通过三次熔炼，合金中大尺寸夹杂物的比例逐步降低，合金纯净度逐步提高，为制备高品质棒材奠定了基础(见图7a)。GH4169合金在服役过程中长期承受复杂的交变应力，可能发生疲劳失效。疲劳裂纹通常从合金表面或近表面的夹杂物萌生，造成合金使役性能的大幅降低[32,33]。冶炼工艺的升级有效改善了GH4169合金中夹杂物的分布，显著降低了合金内大尺寸夹杂物的数量，进而提高了GH4169合金的疲劳寿命[34]。三联冶炼工艺使合金中夹杂物尺寸分布更加集中，各尺寸夹杂物数量密度较双联工艺均呈下降趋势，大尺寸夹杂物所占比例也得到不同程度降低，合金纯净度得到提升。易成为裂纹源的夹杂物(尺寸在12 μm以上)的数量密度可以控制在双联冶炼工艺的20%左右。冶炼工艺的优化虽然改善了GH4169合金中夹杂物的尺寸和数量分布，但对夹杂物析出种类无明显影响(见图7b和c)。对比双联冶炼工艺与三联冶炼工艺，2者制备的GH4169合金中均主要包含2种不同的夹杂物类型，即以TiN为形核核心的复合夹杂物和以MgO·Al2O3为形核核心的复合夹杂物。三联冶炼工艺制备的GH4169合金除夹杂物尺寸减小外，形貌无显著变化。这表明GH4169合金中夹杂物的析出类型主要与合金元素种类及含量有关，单纯改变某环节的工艺操作对夹杂物种类无明显影响。

图7

图7三联冶炼GH4169合金全流程中不同尺寸夹杂物所占比例及典型夹杂物形貌和EDS面扫元素分布图

Fig.7Proportions of inclusion with different sizes in the entire process of triple melt (a) and typical inclusion morphologies and correspording EDS mappings for MgO·Al2O3core (b) and TiN core (c) in GH4169 alloy

2.3三联冶炼GH4169合金铸锭的均匀化工艺

GH4169合金的铸态组织中存在明显的元素偏析，其偏析程度通常采用元素在枝晶间和枝晶干平均成分的比值(即偏析系数)来表征。当偏析系数大于1时为正偏析，Ti、Nb、Mo为正偏析元素；偏析系数小于1时为负偏析，Al、Cr、Fe、Ni为负偏析元素。元素偏析导致铸锭中形成了Laves相、γ/Laves共晶相、δ相和MC型碳化物等。其中，Laves相是硬质相，极易在后续变形过程中成为开坯过程中开裂的起裂源。铸锭在开坯锻造前需要进行高温均匀化热处理，促使元素在基体中再分配，减轻显微组织偏析，消除有害相，获得均匀的成分和组织，提高合金的热加工性能。

均匀化工艺通常分为两阶段高温长时热处理。第一阶段的热处理温度根据Laves相的回溶温度制定，在低于Laves相液化温度进行长时间保温，防止Laves相液化。Laves相在1150℃下回溶所需的时间为27.7 h[35]。偏析最严重的Nb元素是Laves相的形成元素[36,37]，Nb含量的变化会影响Laves相的初熔温度。因此，Laves相初熔温度是一个范围。Nb含量为5.4%的GH4169合金中，Laves相在1140~1160℃时发生初熔。因此，高Nb含量的GH4169合金可增加1130℃的保温台阶，并以较慢升温速率升到1160℃再保温，以实现Laves相消除的目的。

均匀化第二阶段热处理温度则是促进Nb和Mo等易偏析元素实现均匀分布，时间越短则成本越低。GH4169合金偏析程度的判据至关重要，常用的偏析判据是残余偏析系数，它是均匀化前后溶质元素浓度差的比值，工业上通常以残余偏析系数降低到0.2作为判据。另外一种偏析程度的判定方式是局部区域δ相析出数量。样品在均匀化处理后经过900℃、1 h处理以促进δ相的大量析出，局部区域δ相的数量析出越多，则偏析越严重[37]。图8为GH4169合金工业级(3 t级) VAR铸锭均匀化后的典型形貌。长时间高温处理除了可以降低铸锭的元素偏析程度，还会导致铸锭表面氧化加剧和铸态晶粒长大。GH4169合金在1190℃均匀化时间超过55 h后，均匀化效果下降，晶粒尺寸和氧化层厚度大幅增加[38]。基于三联冶炼GH4169合金成分特点和成本考虑，建议工业界将“1160℃、24 h + 1190℃、72 h”的均匀化处理制度修改为“1130℃、24 h + 1160℃、24 h + 1190℃、48 h”。

图8

图8GH4169合金均匀化的VAR铸锭组织

Fig.8Macrostructure of GH4169 VAR ingot after homogenization

3棒材联合开坯制备技术

在棒材热加工过程中，δ相的精细控制是获得细晶组织的关键。δ相的析出回溶温度范围为780~1020℃，温度低于900℃时，δ相以长针状析出并出现魏氏组织；温度在900~930℃时，δ相以颗粒状在晶界或晶内析出；温度在930~980℃时，δ相主要以短棒状在晶界析出，起到钉扎晶界且细化晶粒的目的；温度在980~1020℃时，δ相大部分溶解，完全溶解温度为1020℃；晶粒在超过1020℃时发生快速长大[39,40]。在由铸态粗晶组织向细晶锻态组织转变的热加工过程中，热加工工艺根据δ相的析出和回溶规律制定。在1020~1120℃的单相温度区内，采用逐级降温的方式，通过反复镦拔以破碎晶粒及碳化物；在末级火次阶段，在980~1020℃进行低温大变形，充分利用δ相析出后的钉扎效应实现棒材的晶粒细化。

GH4169合金在研制初期的开坯方式以单向拔长为主，变形量不足加之变形过程中的表面降温导致棒材表面质量较差且δ相大量析出，形成超过30 mm厚的“粗晶环”。棒材表面“粗晶环”位置的组织中存在大量魏氏组织，如果消除魏氏组织需要加热到1020℃以上，但是会导致棒材晶粒快速长大。为了得到质量更好的棒材，需要采用快锻机反复镦拔的方式进行开坯，以提高铸锭累计变形量，增加再结晶体积分数，提升组织均匀性；同时，为了细化外缘组织，提高棒材组织均匀性及成材率，还需要采用径锻机来成形。经过“三联冶炼、高温多阶均匀化处理、镦拔+径锻联合开坯”制备的国产GH4169合金大规格棒材的实物测试水平已达到优质进口料水平，直径为200~300 mm的棒材晶粒组织达到ASTM 6级或更细，棒材表面的“粗晶环”尺寸由30 mm减小到5 mm以下，提高了棒材成材率。

在热加工过程中，由于δ相能够钉扎晶界起到晶粒细化的作用，根据此原理发展了δ相预处理(delta-processing，DP)技术，即在热加工前通过900℃、24 h的热处理提前析出δ相[41~43]。在实际锻造过程中，通过温度、转移时间和变形参数的调控对δ相进行合理控制，可以获得晶粒均匀细小的GH4169合金棒材。

4盘锻件组织、性能控制

GH4169合金的强度主要来源于Ni基体本身强度、加工硬化、细晶强化、沉淀强化、固溶强化和直接时效效应6个方面，分别为10、230、150 (± 20)、520 (± 50)、260和180 (+ 10 / - 140) MPa，其中，贡献度最大的是沉淀强化，最不稳定的是直接时效效应[44]。通过合理搭配GH4169强度各来源的贡献权重可以制备出屈服强度达到1350 MPa的直接时效盘件。GH4169合金的模锻工艺主要分为直接时效工艺和高强工艺，2者最大的区别是高强工艺制备的锻件在锻造完成后须进行((950~980) ± 10)℃、1 h的固溶热处理，而直接时效工艺的锻件不需要进行固溶热处理。GH4169合金模锻工艺相对成熟，实际应用过程中最大的难题是变形过程中“变形死区”的消除。

GH4169合金盘类锻件的锻造过程主要包括镦饼和模锻2个主要工序。在镦饼过程中容易在上下端面中心部位产生变形死区(图9a)，变形死区部位通常是混晶和粗晶等不均匀组织。这些不均匀组织极易遗传到模锻后锻件上下端面(图9b)，在锻件超声波探伤过程中产生杂波，影响到盘件黑斑、白斑等冶金缺陷的发现。同时，不均匀组织本身对盘件力学性能和服役寿命产生危害[45]，一旦在后续表面腐蚀过程中发现端面的变形死区就会对锻件判废。GH4169合金盘锻件生产过程中通常采用增大锻件的加工余量或模锻成形前将饼坯大部分的变形死区挖除2种解决方式。增大锻件的加工余量会导致材料利用率下降，在大型盘件的制备过程中此问题尤为突出，且增大锻件的加工余量会导致原始棒材的尺寸增大，增加了棒材制备的工艺难度。在模锻成形前挖除变形死区的办法，在降低材料利用率的同时，延长了锻件的制备周期，且变形死区去除效果有限。对GH4169合金的锻造过程进行数值模拟可以准确模拟出变形过程中的“变形死区”位置及其遗传规律。基于数值模拟确定变形死区的尺寸和分布，通过模具设计和工艺设计对变形死区进行反向变形(图9c)，锻件经过镦饼、预锻、终锻三次锻造后彻底消除了变形死区(图9d)。

图9

图9数值模拟的锻造方式对GH4169合金盘锻件晶粒尺寸的影响

Fig.9Effects of forging method on the grain size of GH4169 disc by numerical simulation

(a) upsetting (b) die forging

(c) preforging (d) finish-forging

对盘件残余应力影响最大的工艺过程是热处理工序。热处理不仅改变合金中析出相的数量和分布以提高强度，而且影响产品内部的残余应力[46~50]。GH4169合金盘锻件在锻造成形或固溶后以一定速率(20℃/min以上)快速冷却，可确保γ″或γ'强化相不发生粗化，保证盘锻件强度。由于锻件不同区域的厚度差异会导致不同区域的冷速不同，温差形成的热应力会造成不均匀的塑性变形，从而在冷却后的锻件中形成较大梯度的残余应力分布。研究[46]表明，GH4169合金盘锻件淬火后圆盘中心的旋向和径向存在340.62 MPa拉应力，轴向存在-33.34 MPa压应力。高温合金淬火过程中形成的残余应力在时效或退火处理后仍有较大部分(1/2~2/3)会保留在最终的盘锻件中。残余应力会在加工后重新分布引起零件变形，显著影响零件的形状和尺寸精度[47]，特别是轻薄零件的加工变形问题尤为突出。保留在零件中的残余应力还会在后续使用过程中与服役载荷相叠加，影响盘件在使役过程中的尺寸稳定性和疲劳等性能[49]。

GH4169合金盘件制备全流程中的残余应力的测试与预测是实现其组织和性能精细控制的基础。目前，残余应力测试方法主要有中子衍射法、轮廓法、盲孔法和超声法。毕中南等[47]通过将中子衍射法和轮廓法相结合，阐明了GH4169合金在固溶淬火、时效热处理和零件加工过程中残余应力的分布、演变及机制。钢铁研究总院在残余应力及加工变形计算预测的基础上，针对厚重、截面差异较大的盘锻件开发了基于分区控冷技术的残余应力优化工艺及设备(超级气冷设备，见图10)，通过调控不同区域的热交换系数，可有效降低盘锻件不同区域的温度梯度，从而对残余应力进行了有效控制。轮廓法测试表明，经锻后水冷和直接时效处理后的GH4169合金典型盘锻件内的残余应力以弦向为主，以“外压内拉”式分布，量级为-300~+300 MPa；经锻后强制气体控冷和直接时效处理后的盘锻件残余应力依然以“外压内拉”式分布，但量级降至-100~+100 MPa以内，降低了50%以上。

图10

图10残余应力控制超级气冷设备示意图和工件流体场分布设计

Fig.10Schematic of super air cooling equipment for controlling residual stress (a) and design of fluid workpiece field distribution (b) (1—workpiece, 2—rotatable support platform, 3—upper nozzle of air source, 4—lower nozzle of air source, 5—air source, 6—air compressor, 7—slide tooling of workpiece)

5 GH4169合金质量控制技术

关键材料、工艺技术、设备能力和质量控制体系是保障高温合金产品质量的四大关键因素。近十年来，我国在高温合金材料研发及工艺技术方面获得诸多进展，三联冶炼设备、7000 t/8000 t快锻机、1800 t径锻机、80000 t模锻压机等大型设备陆续投入使用。因此，质量控制体系在高温合金产业链中的重要性日益凸显。与此同时，民用航空发动机高温合金产品的适航取证对产品质量提出了更高要求。我国正在建立GH4169合金盘锻件专用的国家质量基础设施(national quality infrastructure，NQI)体系(如图11所示)。NQI是有机融合计量、标准、认证认可、检验检测、质量管理等要素形成的综合体系。以NQI体系为内核，以GH4169合金的成分、组织、性能、成本和寿命五大要素为质量控制的关键要点，支撑了我国GH4169合金制造体系的稳定运转，以保证产品质量。

图11

图11国家质量基础设施支撑高温合金盘件质量稳定性的示意图

Fig.11Schematic of quality stability of superalloy discs supported by national quality infrastructure (NQI)

本文从化学成分控制、超声波水浸探伤和标准体系建设等3方面来说明GH4169合金NQI体系建设情况。表3为我国不同实验室GH4169合金Nb元素的分析结果。可见，同一样品Nb元素含量的分析偏差最大为0.44%，超过了Nb元素控制范围。分析结果的差异不仅影响了产品合格与否的判定，而且影响了产品在冶炼过程中的成分控制。因此，我国研制了GH4169合金成分质控样品并在产业链进行了应用，降低了产业链不同单位之间成分控制和成分分析的异议。为了提高黑斑、脏白斑等冶金缺陷的检测能力，我国产业链上下游均要求具备超声波水浸探伤设备，超声波水浸探伤成为质量控制的最关键环节。有关三联冶炼GH4169合金最新的标准(GB/T 40303、GB/T 40313)中规定了大规格棒材和盘锻件要分别满足AA级和AAA级的指标要求，通过探伤标块、数据积累和信号识别等方面的研究，可以准确识别尺寸在200 μm以上的脏白斑。此外，研究者正在开发复杂形状盘锻件的探测方法和降低检测盲区的方法，支持后续盘锻件降低投料重量以提高材料利用率。GH4169合金“量大面广”的应用情况决定了其标准呈现“多、杂、散”的特点。据不完全统计，我国涉及GH4169合金的各类标准达到400余项，GH4169合金标准体系的建设已经成为当前亟需解决的难题。2021年发布的GB/T 40303—2021《GH4169合金棒材通用技术条件》首次将锻制棒材进行了标准的整合和统一，但是在板材、带材、丝材等方面的标准尚需制/修订。质量控制体系在GH4169合金研制过程中起着至关重要的作用，一个完善、高效、高质量的控制体系需要多学科、多领域交叉合作并共同建设。

表3我国不同实验室对GH4169合金Nb元素的分析结果 (mass fraction / %)

Table 3Analysis results of Nb element in GH4169 alloy in different laboratories

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6 GH4169合金的发展方向

GH4169合金在650℃以上长期服役时γ″相向δ相转变的组织特性限制了合金在航空领域向更高温度发展的可能性。但是，GH4169合金作为航空装备中650℃以下服役的盘件、环件、紧固件和叶片等部件的首选材料，足以证明其卓越性。三联冶炼等先进成套技术的突破和大规模应用已经成为我国当前冶金行业的重点方向，持续提高产品质量的稳定性和降低全寿命周期的成本成为产业链的发展方向。由于GH4169合金向高温发展受限，其优异的屈服强度和可加工性等特性促使GH4169合金向更大尺寸构件和超高强度构件发展；GH4169合金因优异的中低温性能和耐蚀性能使其可向油气钻采等民用领域发展。

6.1超大尺寸构件的发展

随着能源领域装备服役温度的升高，超大型镍基合金制品替代传统钢成为必然。23 t级三联冶炼Alloy 263的VAR铸锭和70 t级Alloy 600的ESR铸锭已经研制成功，是目前已知世界最重的三联冶炼铸锭和两联冶炼铸锭[51]。重型燃气轮机需要GH4169合金特大型盘件，但是三联冶炼制备的直径1050 mm的大尺寸VAR铸锭(18 t级)在冶炼过程中容易形成宏观偏析，容易遗传到最终的盘件中导致其判废。制备大尺寸盘锻件首先需要攻克大尺寸铸锭的缺陷控制技术。首选思路是对GH4169合金的成分进行优化调整。GH4169合金在冶炼过程中的宏观缺陷主要表现为下降型缺陷，而W元素具有与Mo元素相同的固溶强化效果，但是W元素能促进上浮型宏观缺陷的形成。国外通过W元素代Mo元素进而通过三联冶炼工艺制备出直径900 mm的VAR铸锭、直径720 mm的棒坯和直径1900 mm的盘锻件，盘件满足服役要求。我国通过降低Nb元素和P元素的含量，配合冶炼工艺调整，成功制备出18 t级直径1050 mm的大尺寸VAR铸锭。

6.2超高强度构件的发展

GH4169合金热处理过程通常是在固溶热处理后，以不低于空冷的速率进行冷却，随后通过两步时效提高合金的强度。在保持合金塑性的同时进一步提高强度，可以进一步扩大GH4169合金的应用范围。Zhu和Yuan[52]在固溶和两步时效之间增加了一次预处理(680℃，应力为屈服强度的90%，时间为5 min)，使GH4169合金棒材的屈服强度提高了5.1%，γ″相形貌和分布改变带来的共格强化效应是强度提升的主要原因。通过塑性变形实现晶粒细化以及引入纳米沉淀相可以有效提高GH4169合金的强度，但是降低了其韧性，通过高温短时时效热处理调控析出相的粗化和再结晶行为可以获得优异的综合性能[53]。Yang等[54]研究认为GH4169合金经过84%变形量的冷轧处理后，在950℃、5 min保温处理后进行高速率变形时拥有超塑性，其断裂延伸率高达325%。在变形初期，冷轧形成的高密度位错和晶粒细化是塑性提高的主要原因；随后，位错蠕变主导了变形过程，同时发生了连续动态再结晶，NbC周边在变形过程中形成孔洞最终导致失效。冷轧后，在时效前通过两次固溶处理可进一步改善组织均匀性，提高材料强度[55]。通过热加工工艺制备的GH4169合金直接时效盘件具有1350 MPa的室温拉伸屈服强度，其中加工硬化带来的强度贡献还可以通过冷加工工艺进一步提升，例如通过冷拔工艺制备的GH4169合金紧固件室温拉伸屈服强度可以达到1700 MPa以上。但是冷加工最大的局限是无法制备大尺寸构件，冷/热变形搭配并借助一些工艺窗口下的超塑性为超高强度材料的制备提供了一个新思路，超高强度大尺寸构件将为特殊需求装备的减重带来巨大收益。

6.3 GH4169合金的中低温特性及其应用

GH4169合金在高压低温液体中具有优异的性能，在-196℃的强度和韧性超过了室温，可用于制作航天火箭氢氧发动机的涡轮转子等关键部件。GH4169合金在具有优异强度的同时，在许多服役环境中表现出优异的耐蚀性能，因此在能源领域获得广泛应用，例如300℃、15 MPa轻水堆环境的结构件[56]和> 250℃、> 100 MPa、高H2S油气开采环境中的井下安全阀[57]等。阐明GH4169合金在不同服役环境中的失效机理并制定安全阈值对于服役至关重要。例如，GH4169合金部件在熔盐反应堆中服役时在一定条件下出现Te侵蚀，Te在晶界处形成碲化物和氧化物，从而出现晶界开裂现象[58]。GH4169合金在油气领域应用时，最初沿用航空成分及其热处理制度，但是在服役中出现不同程度的腐蚀问题，尤其是在油气田中引起多个重大事故。随后，针对“航空级”GH4169合金在成分和热处理制度上进行了优化，更加关注其韧性和耐蚀性能。Nb元素含量被限制不得超过5.2%以降低δ相的形成，C元素含量被限制在0.045%以下以降低晶界碳化物的形成，P元素含量被限制在100 × 10-6以下以提高韧性。热处理的固溶温度提高到1020℃以上，将δ相全部消除，晶粒度长大到2~3级；两步时效更改为一步时效，时效温度区间为774~802℃。成分和热处理的优化发展出“油气级”GH4169合金，其耐蚀性能满足MR-0175/ISO-15156-3的要求。目前，油气级GH4169合金的用量已经与航空级GH4169合金用量相当。随着GH4169合金服役时间的延长，研究者已经逐渐意识到其局限性。为此，现在正在开发多个新合金来替代GH4169合金，主要方向是探寻更高的屈服强度和耐腐蚀性能以适用于日益苛刻的服役环境。其中，保持γ″相强化的基础上调控成分，获得更加耐蚀的γ基体是主流方向。截至到目前，GH4169合金因优异的强度、适中的耐蚀性能和低廉的综合成本，仍然是油气领域用量最大的沉淀强化型镍基合金。

6.4 GH4169合金氢脆研究

随着氢能经济的发展，不管是火箭液氢液氧发动机、油气环境的H2S介质等中低温环境应用，还是在氢燃料航空发动机和掺氢燃气轮机等高温环境，GH4169合金在未来大规模应用中的氢脆问题都值得关注。在含氢环境中，H原子进入GH4169合金内部，在外界应力和温度作用下与微观组织发生多尺度交互作用，尤其是H原子在第二相、内部缺陷、晶界和位错等位置扩散和偏聚，导致微裂纹的萌生进而发生宏观失效。GH4169合金是一种析出强化的镍基变形高温合金，且析出相(γ'、γ″、δ和碳化物)的含量和分布可以通过热加工工艺进行调控[59]，因此，阐明析出相与氢致开裂的关联机制进而通过析出相的调控降低氢致开裂的风险一直是研究热点[60,61]。沿晶界分布的δ相是氢致开裂的最直接因素[62]。然而消除δ相后，γ'和γ″析出相成为新的氢致开裂源头[63]。Zhang等[61]认为虽然γ″相促进了局部滑移并驱使位错穿过滑移带，但是微裂纹仍然在滑移带和δ相的界面萌生，且无法证明γ″/γ界面能降低，关于γ″相对氢脆的影响尚有争议。碳化物促进氢脆的发生，但是减小碳化物尺寸可以减缓氢脆的发生[59]。此外，GH4169合金的氢脆失效为沿晶开裂[64,65]，进而提出通过晶界工程来解决氢脆问题。但是目前为止，特殊晶界对H原子在材料中的扩散和偏聚的影响尚未达成共识。孪晶界的能量和氢溶解度都低，调控孪晶界的含量有望抑制材料的氢脆。Bechtle等[64]通过增加孪晶界的数量使材料的抗氢脆性能显著提高。但是，Seita等[65]研究发现，氢致裂纹优先在镍基高温合金的孪晶界处萌生，但孪晶界又可有效抑制裂纹扩展。Hanson等[66]则认为低指数晶面的晶界才能抑制材料的氢致开裂，而与晶界类型无关。因此，通过晶界工程来抑制GH4169合金的氢脆尚未实现工程化应用。GH4169合金在含氢环境中服役时由氢脆带来的负面影响仍然困扰产业界。尤其是GH4169合金高温高强部件面临氢环境时，强度和氢脆的矛盾会更加凸显。晶界处的碳化物和δ相是氢致开裂的首选位置，为了提高抗氢脆性能必须降低δ相数量。然而，δ相通过钉扎晶界、细化晶粒实现合金的细晶强化，同时δ相可以降低高温持久的缺口敏感性，适当的δ相含量是高温部件服役的必要条件。氢燃料航空发动机及掺氢燃气轮机的材料体系可能因氢脆问题而发生重大改变。

7总结与展望

GH4169合金是变形高温合金中“量大面广”且具有“一材多用”特性的材料，其技术进步能够推动我国高温合金产业体系的升级，其产品质量稳定性的提升是我国重大装备研制的关键基础。我国目前已经突破了GH4169合金三联冶炼等关键技术，拉动了GH4169合金开坯、锻造、残余应力控制等成套技术的发展。三联冶炼技术使GH4169合金冶金缺陷出现的概率降低，使合金成分控制范围进一步收窄，合金纯净度进一步提高，O和S等有害元素含量降低，大尺寸夹杂物的数量降低。开坯技术的进步提高了棒材的成材率和综合性能，棒材组织均匀性明显改善。GH4169合金盘件的残余应力控制技术进入工程化阶段，典型盘件残余应力降低了50%以上。GH4169合金制品的国家质量基础设施体系开始建立，在化学成分控制、超声波水浸探伤和标准体系建设等方面已取得一定成效。

针对航空领域，三联冶炼和热加工技术已经成熟，但是在智能化和精细化制备方面仍需要攻关以持续提高冶金质量，尤其是批产过程中的冶金缺陷控制。同时，特种冶炼设备及冶炼模拟软件仍主要依赖进口，我国对冶炼设备的认知和针对性的改装能力仍与国外先进水平存在差距。此外，在GH4169合金质量体系方面的建设仍须加强，在检测方法、标准体系和评价体系方面需要查缺补漏、补齐短板。最后，需要持续不断地提高GH4169合金及其制品的成本控制水平，例如全流程的材料利用率的持续提升和返回料的分级和应用。

重型燃气轮机用GH4169合金特大盘件的研究仍面临诸多挑战，尤其是直径1050 mm、18 t级的VAR铸锭的冶金质量控制，其未来的批量制备和成本控制是我国400 MW级重型燃气轮机实现应用的基础。重型运载火箭也需要高强高韧的GH4169合金锻件，需要进一步突破合金强度上限。而氢燃料航空发动机和掺氢燃气轮机对GH4169合金的考验也即将开始。GH4169合金从航空向油气等民用领域的扩展有助于扩大产业规模，随着航空用量增速的放缓，民用领域将成为GH4169合金重要的发展方向，对低成本工艺路线的开发也更加迫切。