摘要
K4169合金是一种镍基沉淀硬化铸造高温合金，具有优异的疲劳抗力、良好的抗氧化性、高强度和抗腐蚀性能。其强化作用以主强化相γ"(Ni3Nb)、辅助强化相γ''(Ni3Al)共同作用实现。但在服役过程中合金存在脆化倾向的风险，受到振动、冲击时缺乏较好稳定性。因此本文希望通过热处理及Al元素合金化来改善K4169的综合力学性能。本文以K4169合金作为研究对象，通过调整Al含量，制备三种Al含量的合金试样，采用OM、SEM、TEM、XRD、室温拉伸、显微硬度、室温冲击韧性等测试手段，探究热处理及Al元素含量对K4169显微组织和力学性能的影响，主要结论如下: (1)铸态0.5Al(wt.％)K4169合金为典型的枝晶结构，枝晶间主要存在Laves相、针状、颗粒状δ相、MC碳化物以及弥散分布于基体的初生γ''相。经过一级固溶处理(1160℃/2h/WC)后，Laves相大量溶入基体，合金元素晶间偏析得到改善;二级固溶处理(1030℃/2h/WC)后晶界处的δ大部分相溶解，合金元素进一步扩散。 (2)对固溶态处理后的合金进行双级时效处理:首先在720℃时效保温12h，然后炉冷到620℃,继续保温时效。研究发现，在620℃保温温度下随着时效时间的增加，合金内部析出共同强化作用的γ"和γ''沉淀相，晶界主要析出少量MC、Laves、δ等相。合金硬度先增加后下降，并维持在较高范围;时效80h，合金硬度值达到最大，此时抗拉强度为1020MPa,延伸率为26.7％。双级时效合金强化效果较为显著，同时获得良好的塑韧性。K4169合金力学性能主要由于纳米级γ"和γ''沉淀析出相的共同强化作用。 (3)Al元素含量的改变不会影响铸态K4169合金主要组织类型，合金的凝固顺序依然为L→L+γ→L+γ+MC→L+MC+(γ+Laves)。但Al含量的增加，促进Laves相的析出，枝晶间析出相增多，二次枝晶臂变得发达。Al元素的增加，降低了 Nb、Mo、Ti、Fe偏析程度。铸态K4169合金随着Al含量增加，硬度和抗拉强度逐渐上升，1.6Al(wt.％)K4169合金的抗拉强度最高，达到960MPa,但合金冲击韧性的下降。Al元素含量的增加可以有效提高合金的拉伸强度，但是对合金的塑韧性有损失。 (4)对三种Al合金成分(0.5wt.％，0.96wt.％,1.6wt.％)铸态K4169合金分别进行固溶、720℃时效处理和720℃/620℃双级时效处理。合金析出相类型大致没有改变，但组织形态发生变化。随着Al含量的增加，合金的固溶态、720℃峰值时效态硬度依次提高。这主要和Al元素促进γ''相析出相关。(Al元素是γ''相主要组成元素)。双级时效过程，Al含量的增加基体主要弥散更为细小的γ''相;晶界主要析出MC、Laves相等物相。随着时效时间的增加，合金硬度和强度呈现先增加后下降的趋势，时效时间80h合金硬度达到峰值。0.96wt.％Al含量合金硬度达到峰值为538.3Hv;此时合金的室温抗拉强度达到最大值为1009.6MPa,延伸率为43.5％;1.6wt.％Al含量合金，合金时效峰值合金硬度为554.1Hv,此时合金的室温抗拉强度为1028MPa,延伸率为42％。K4169合金Al含量1.6(wt.％)时，双级时效80h后，合金硬度、抗拉强度和冲击韧性达到最大值，同时合金冲击韧性都达到最优。热处理后合金室温冲击韧性随着Al含量增加显著提升，依次为42.4J、88.6J、107.8J;相较于0.5Al(wt.％)合金冲击性能提升了 154％。增加合金中Al元素含量，固溶时效热处理后，合金强度和塑韧性同时获得提升。这主要由于晶内析出相类型和晶界析出相有共同作用导致。随着Al含量增加，促进晶内弥散析出更多细小的粒状γ''相，晶内强化的同时减少晶界处的δ析出相，合金形变协调性更好。在强度提高的同时改善了合金的塑韧性。
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