Study on Microstructure of GH4151 Nickel-based Superalloy Bar

Liu Zhiling; Meng Xinyu; Lyu Shaomin; Xie Xingfei; Qu Jinglong; Zhang Shaoming

doi:10.20057/j.1003-8620.2025-00063

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Study on Microstructure of GH4151 Nickel-based Superalloy Bar

Forming and Phase Transition | 更新时间：2025-09-11

- Study on Microstructure of GH4151 Nickel-based Superalloy Bar
- Special Steel Vol. 46, Issue 5, Pages: 80-86(2025)
- 作者机构：
  
  1.钢铁研究总院高温材料研究所，北京 100081
  2.北京钢研高纳科技股份有限公司，北京 100081
  3.四川钢研高纳锻造有限责任公司，德阳 618000
  4.中国钢研科技集团有限公司，北京 100081
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.20057/j.1003-8620.2025-00063
  CLC： TG132.3
- Received：11 March 2025，
  
  Revised：2025-03-28，
  
  Accepted：29 March 2025，
  
  Published：30 September 2025
- 稿件说明：
移动端阅览
刘志凌,孟新宇,吕少敏等.GH4151镍基高温合金棒材微观组织研究[J].特殊钢,2025,46(05):80-86.

Liu Zhiling,Meng Xinyu,Lyu Shaomin,et al.Study on Microstructure of GH4151 Nickel-based Superalloy Bar[J].Special Steel,2025,46(05):80-86.
刘志凌,孟新宇,吕少敏等.GH4151镍基高温合金棒材微观组织研究[J].特殊钢,2025,46(05):80-86. DOI： 10.20057/j.1003-8620.2025-00063.

Liu Zhiling,Meng Xinyu,Lyu Shaomin,et al.Study on Microstructure of GH4151 Nickel-based Superalloy Bar[J].Special Steel,2025,46(05):80-86. DOI： 10.20057/j.1003-8620.2025-00063.

摘要

GH4151镍基高温合金的高合金化程度导致其在开坯过程中易产生裂纹及混晶缺陷，显著降低材料利用率，同时，GH4151的晶粒尺寸对固溶处理的温度及时间较为敏感。采用真空感应熔炼（VIM）+电渣重熔（ESR）+真空电弧重熔（VAR）三联冶炼GH4151铸锭，经过均匀化处理后开坯制备成

https://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=95972997&type=

2.87866688

https://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=95973039&type=

2.03200006

200 mm棒材，通过金相显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）及背散射电子衍射（EBSD）等表征手段，系统分析了棒材典型微观组织特征、心部裂纹及边缘混晶缺陷的形成机制，并结合固溶热处理实验，优化了固溶处理工艺。结果表明，GH4151棒材组织为均匀的等轴细晶，经标准热处理后平均晶粒尺寸14.7 μm，晶内分布大量100~200 nm的二次γ′相，赋予合金优异的高温性能；心部裂纹源于绝热温升引起的粗大晶粒及Laves相析出，裂纹扩展由一次γ′相与MC碳化物引导；边缘混晶则由变形量不足导致未完全再结晶所致；亚固溶处理最佳工艺为1 120~1 150 ℃保温90~240 min，可有效抑制晶粒异常长大。

Abstract

The high alloying degree of GH4151 nickel-based superalloy leads to cracks and crystal mixing defects in the billet process， which significantly reduces the material utilization rate. Meanwhile， the grain size of GH4151 is more sensitive to the temperature and time of solid solution treatment. Using vacuum induction smelting （VIM） + electric slag remelting （ESR） + vacuum arc remelting （VAR） triple smelting GH4151 ingot， after homogenization billet preparation into

https://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=95973073&type=

2.87866688

https://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=95973045&type=

2.03200006

200 mm round bar， through the metallurgical microscope （OM）， scanning electron microscope （SEM） and back scattering electron diffraction （EBSD） characterization， system analyzed the bar typical microscopic tissue characteristics， heart crack and edge mixing defect formation mechanism， and combining the experiment， optimize the solid heat treatment process. The results demonstrate that， after standard heat treatment， the GH4151 bar exhibits a uniform equiaxed fine-grained structure， with an average grain size of 14.7 μm. A high density of secondary γ' precipitates （100 nm-200 nm） is uniformly distributed within the grains， significantly enhancing the high-temperature performance. The formation of central cracks is attributed to coarse grains and Laves phase precipitates induced by adiabatic temperature rise， with crack propagation predominantly guided by primary γ' precipitates and MC carbides. The edge abnormal grain structures are primarily caused by insufficient deformation， leading to incomplete recrystallization. Solution treatment experiments indicate that the optimal sub-solvus treatment condition is 1 120°C-1 150 °C for 90 min-240 min， effectively suppressing abnormal grain growth.

关键词

Keywords

references

杨树峰，贾　雷，鄢宇灿，等 . 镍基变形高温合金裂纹形成及控制研究进展［J］. 特殊钢， 2024 ， 45 （ 4 ）： 13 - 25 .

江　河，董建新，张麦仓，等 . 800 ℃以上服役涡轮盘用难变形镍基高温合金研究进展［J］. 航空制造技术， 2021 ， 64 （ S1 ）： 62 - 73 .

崔天亮，谢兴飞，温晓灿，等 . GH4151合金的拉伸行为及其断裂失效机制［J］. 金属学报， 1 - 16 ［ 2025-04-10 ］. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/21.1139.TG.20250221.1548.014.html http://kns.cnki.net/kcms/detail/21.1139.TG.20250221.1548.014.html .

贾　雷，崔　衡，杨树峰，等 . 新型镍基GH4151高温合金ESR数值模拟及工艺优化［J］. 中国有色金属学报， 2023 ， 33 （ 9 ）： 2873 - 2889 .

Chen Y ， Lv S M ， Xie X F ， et al . Solidification behaviour and hot cracking susceptibility of a novel Ni-based superalloy ［J］. Journal of Iron and Steel Research International ， 2024 ， 31 （ 4 ）： 956 - 966 .

王　法，江　河，董建新 . 基于热加工图的均匀化态GH4151合金热变形行为研究［J］. 稀有金属材料与工程， 2023 ， 52 （ 1 ）： 245 - 252 .

Gai Y C ， Zhang R ， Yang J X ， et al . Effects of heat treatment on γ’ precipitates and tensile properties of a Ni-base superalloy ［J］. Materials Science and Engineering： A ， 2022 ， 842 ： 143079 .

Qiao S C ， Liu S ， Li N ， et al . Abnormal grain growth in the Ni-based wrought superalloy GH4698 bar during heat treatment ［J］. Journal of Materials Research and Technology ， 2024 ， 30 ： 6563 - 6575 .

Li P K ， Chen L ， Bu H Y ， et al . Effect of cooling rate on the Morphological changes in the secondary γ 'precipitation in FGH97 nickel-based PM superalloy ［J］. Intermetallics ， 2024 ， 171 ： 108344 .

Zhu L H ， Pan H ， Cheng J Y ， et al . Dendrite evolution and quantitative characterization of γ’ precipitates in a powder metallurgy Ni-based superalloy by different cooling rates ［J］. Journal of Alloys and Compounds ， 2022 ， 918 ： 165677 .

Pan X Y ， Jia C L ， Qiu C L . On the stress rupture behavior and deformation mechanism of an advanced hot-extruded nickel-based superalloy ［J］. Journal of Alloys and Compounds ， 2022 ， 926 ： 166804 .

Liu P ， Zhang R ， Yuan Y ， et al . Microstructural evolution of a Ni-Co based superalloy during hot compression at γ’ sub-/ super-solvus temperatures ［J］. Journal of Materials Science & Technology ， 2021 ， 77 ： 66 - 81 .

丁雨田，王　琨，高钰璧，等 . 热挤压成形GH3625合金管材组织及裂纹形成机理［J］. 稀有金属材料与工程， 2020 ， 49 （ 5 ）： 1743 - 1749 .

江海军，张全新，朱　斌 . 太阳能光热发电系统GH3625合金加热管开裂原因探讨［J］. 物理测试， 2019 ， 37 （ 1 ）： 36 - 39 .

Zhang B Y ， Wang Z T ， Yu H ， et al . Microstructural origin and control mechanism of the mixed grain structure in Ni-based superalloys ［J］. Journal of Alloys and Compounds ， 2022 ， 900 ： 163515 .

程体娟，于鸿垚，毕中南，等 . 固溶处理对新型镍钴基高温合金显微组织及力学性能的影响［J］. 金属热处理， 2023 ， 48 （ 4 ）： 97 - 104

程俊义，朱立华，马向东，等 . 一种新型镍基粉末高温合金的过固溶热处理研究［J］. 稀有金属材料与工程， 2022 ， 51 （ 10 ）： 3722 - 3731

Zhang X G ， Han H R ， Zhou Y ， et al . Effect of solution treatment on the microstructure and elevated temperature tensile properties of forged rene 41 superalloy ［J］. Materials ， 2024 ， 17 （ 24 ）： 6150 - 6159 .

Views

下载量

CSCD

CNKI被引量

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Impact of the Annealing Temperature on the Magnetic and Mechanical Characteristics of Thin-gauge Non-oriented Electrical Steel

Effect of Heat Treatment Temperature on Microstructure and Properties of Fe-27Mn-9Al-1C-0.25V Low-density Steel

Effects of Ti Microalloying on the Microstructure and Mechanical Properties of a Novel GH1059 Alloy for Nuclear Applications

Effect of Deformation Parameters on Thermomechanical Behaviour of GH500 Superalloy

Related Author

Liu Zhiling

Lyu Shaomin

Liu Xuming

Geng Zhiyu

Li Fuqiang

Sun Chao

Dong Linshuo

Li Yadong

Related Institution

Silicon Steel Division， Anshan Steel Co.， Ltd.

Ansteel Beijing Research Institute Co.， Ltd.

Shanxi Taigang Stainless Steel Co.，Ltd.

changxu Innovation Center for Advanced Materials， Institute of Metal Research， Chinese Academy of Sciences

School of Materials Science and Engineering， University of Science and Technology of China

⁰