固溶温度对GH4251合金中一次γ′相和晶粒组织的影响
The Effect of Solution Treatment Temperature on the Primary γ′ Phase and the Grain Structure in GH4251 Alloy
- 特殊钢 2025年46卷第5期 页码：96-103
- 作者机构：
宝武特种冶金有限公司，上海201900
- 作者简介：
田沛玉（1982—），男，本科，高级工程师； E-mail ： 430199@baosteel.com；
- 基金信息：
DOI：10.20057/j.1003-8620.2025-00025
中图分类号： TG113收稿：2025-02-06，
修回：2025-03-13，
录用：2025-03-13，
纸质出版：2025-09-30
- 稿件说明：
移动端阅览
田沛玉,王晗旭,李新宇.固溶温度对GH4251合金中一次γ′相和晶粒组织的影响[J].特殊钢,2025,46(05):96-103.
Tian Peiyu,Wang Hanxu,Li Xinyu.The Effect of Solution Treatment Temperature on the Primary γ′ Phase and the Grain Structure in GH4251 Alloy[J].Special Steel,2025,46(05):96-103.
田沛玉,王晗旭,李新宇.固溶温度对GH4251合金中一次γ′相和晶粒组织的影响[J].特殊钢,2025,46(05):96-103. DOI： 10.20057/j.1003-8620.2025-00025.
Tian Peiyu,Wang Hanxu,Li Xinyu.The Effect of Solution Treatment Temperature on the Primary γ′ Phase and the Grain Structure in GH4251 Alloy[J].Special Steel,2025,46(05):96-103. DOI： 10.20057/j.1003-8620.2025-00025.
摘要
固溶温度是调控高温合金析出相和晶粒组织的重要因素。本研究通过设计不同固溶温度研究了一种新型镍基变形高温合金GH4251的晶粒组织和一次γ′相，采用多尺度表征分析研究了固溶温度对微观组织的影响。结果表明，晶粒尺寸和一次γ′相含量随着固溶温度增加显著减少。尤其是在过固溶温度下，一次γ′相几乎被全部溶解，晶界失去钉扎力，导致晶粒粗大，造成拉伸强度和塑性显著下降。通过对GH4251合金一次γ′相等效颗粒半径
r
及含量
f
的统计分析，并进行数据拟合获得了一次γ′相的这两个参数和平均晶粒尺寸之间的关系。从原子扩散的角度讨论了GH4251合金中的一次γ′相溶解行为，发现一次γ′相的γ′/γ界面存在Cr和Co的富集及Al、Ti和Ta的贫化。在溶质元素富集和弹性应力场的相互作用下，一次γ′相边缘凸起，逐渐脱离形成小尺寸的γ′，较高的固溶温度加速了该过程，最终导致一次γ′相溶解消失。
Abstract
Solution treatment temperature is a critical factor in regulating the precipitate and grain structure of superalloys. In this study， different solution treatment temperatures were applied to investigate the grain structure and the primary γ′ phase of a novel deformed nickel-based superalloy GH4251. The effects of solution treatment temperature on the microstructure were analyzed using multi-scale characterization analysis. The results show that both grain size and the volume fraction of primary γ′ phase decrease significantly with increasing solution treatment temperature. Particularly at the over-solid solution temperature， the primary γ′ phase is nearly entirely dissolved， causing the grain boundaries to lose their pinning force， which results in grain coarsening and a significant decrease in tensile strength and ductility. The increase in grain size is the primary cause of the reduced room-temperature tensile properties of the alloy. Statistical analysis of the equivalent particle radius （
r
） and volume fraction （
f
） of the primary γ′ phase in GH4251 was conducted， and data fitting was used to establish the relationship between these two parameters and the average grain size. The dissolution behavior of the primary γ′ phase in GH4251 alloy was analyzed from the perspective of atomic diffusion. It was observed that the γ′/γ interface of the primary γ′ ph
ase exhibited enrichment of Cr and Co alongside depletion of Al， Ti， and Ta. Under the combined influence of solute element enrichment and the elastic stress field， the edges of the primary γ′ phase protruded， gradually detaching to form smaller γ′ particles. The elevated solid solution temperature accelerated this process， ultimately leading to the complete dissolution of the primary γ′ phase.
关键词
Keywords
references
Jullien M ， Black R L ， Stinville J C ， et al . Grain size effect on strain localization， slip-grain boundary interaction and damage in the Alloy 718 Ni-based superalloy at 650 ℃ ［J］. Materials Science and Engineering： A ， 2024 ， 912 ： 146927 .
李新宇 ， 白佳铭 ， 张浩鹏 ， 等 . 先进镍基粉末高温合金 FGH4108在不同应力条件下的蠕变行为 ［J］. 金属学报 ， 2023 .
Yu H Y ， Wang J ， Qin H L ， et al . Deformation behavior of a new Ni-Co base superalloy GH4251 during hot compression ［J］. Materials Research Express ， 2023 ， 10 （ 1 ）： 016511 .
Dong J X ， Yu H Y ， Cao R ， et al . The effect of pre-strain on textures， nano-twins and mechanical properties of a novel Nickel-based superalloy GH4251 with low stacking fault energy ［J］. Materials Science and Engineering： A ， 2024 ， 915 ： 147271 .
Lv Y T ， Ouyang X ， Tian Y ， et al . Insight into the hot corrosion behavior of GH4251 high-temperature superalloy fabricated by selective laser melting ［J］. Journal of Alloys and Compounds ， 2024 ， 1002 ： 175166 .
Yu H Y ， Qin H L ， Chen X Z ， et al . Alloy design and development of a novel Ni-co-based superalloy GH4251 ［M］. Proceedings of the 10 th International Symposium on Superalloy 718 and Derivatives . Cham ： Springer Nature Switzerland ， 2023 ： 117 - 132 .
Zhou Z J ， Zhang R ， Cui C Y ， et al . Influence of solution temperature on microstructure and creep behaviors of a Ni-Co base superalloy for turbine disc ［J］. Materials Science and Engineering： A ， 2022 ， 853 ： 143741 .
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 .
Detrois M ， Rotella J ， Goetz R L ， et al . Grain boundary engineering of powder processed Ni-base superalloy RR1000： Influence of the deformation parameters ［J］. Materials Science and Engineering： A ， 2015 ， 627 ： 95 - 105 .
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 .
郭浩坤 ， 罗 皎 ， 张志刚 . GH4175合金固溶过程中γ相晶粒长大与γ’相回溶规律研究 ［J］. 精密成形工程 ， 2022 ， 14 （ 4 ）： 28 - 37 .
Wang N ， Ji Y Z ， Wang Y B ， et al . Two modes of grain boundary pinning by coherent precipitates ［J］. Acta Materialia ， 2017 ， 135 ： 226 - 232 .
武金江 ， 赵广迪 ， 姜昊源 ， 等 . 加热工艺对难变形高温合金U720Li中γ’相溶解及晶粒长大行为的影响 ［J］. 稀有金属材料与工程 ， 2024 ， 53 （ 8 ）： 2205 - 2216 .
Wang T Y ， Wang X M ， Zhao Z H ， et al . Dissolution behaviour of the γ’ precipitates in two kinds of Ni-based superalloys ［J］. Materials at High Temperatures ， 2016 ， 33 （ 1 ）： 51 - 57 .
Duan J ， An T ， Gu Y ， et al . Effect of γ′ phase and microtwins on the microstructural evolution and mechanical properties of a novel Ni–Co base superalloy ［J］. Materials Science and Engineering：A ， 2023 ， 865 ： 144323 .
Jena P S M ， Tripathy S ， Mahato B ， et al . Role of void nucleation at primary-γ'/γ interface on strain softening of nickel base superalloy 720Li ［J］. Journal of Alloys and Compounds ， 2023 ， 958 ： 170388 .
Tan L M ， Li Y P ， Deng W K ， et al . Tensile properties of three newly developed Ni-base powder metallurgy superalloys ［J］. Journal of Alloys and Compounds ， 2019 ， 804 ： 322 - 330 .
Li C ， Teng J W ， Yang B B ， et al . Correlation between microstructure and mechanical properties of novel Co-Ni-based powder metallurgy superalloy ［J］. Materials Characterization ， 2021 ， 181 ： 111480 .
孔永华 ， 胡华斌 ， 李东方 ， 等 . 热连轧GH4169合金的晶粒长大行为 ［J］. 稀有金属材料与工程 ， 2012 ， 41 （ 5 ）： 877 - 880 .
Smith C S . Grains， phases， and interfaces an interpretation of microstructure ［J］. Transaction Metallurgy Society of AIME ， 1948 ， 175 ： 15 - 51 .
Song K ， Aindow M . Grain growth and particle pinning in a model Ni-based superalloy ［J］. Materials Science and Engineering： A ， 2008 ， 479 （ 1-2 ）： 365 - 372 .
Hillert M . Inhibition of grain growth by second-phase particles ［J］. Acta Metallurgica ， 1988 ， 36 （ 12 ）： 3177 - 3181 .
郑冰 ， 徐东 ， 王怡群 ， 等 . 34CrNi3MoV钢奥氏体晶粒长大模型验证与应用 ［J］. 特殊钢 ， 2023 ， 44 （ 6 ）： 101 - 106 .
Collins D M ， Conduit B D ， Stone H J ， et al . Grain growth behaviour during near-γ’ solvus thermal exposures in a polycrystalline nickel-base superalloy ［J］. Acta Materialia ， 2013 ， 61 （ 9 ）： 3378 - 3391 .
Sellars C M ， Whiteman J A . Recrystallization and grain growth in hot rolling ［J］. Metal Science ， 1979 ， 13 （ 3-4 ）： 187 - 194 .
Zhang H K ， Ma H C ， Chang T X ， et al . Deformation mechanisms of primary γ’ precipitates in nickel-based superalloy ［J］. Scripta Materialia ， 2023 ， 224 ： 115109 .
Chen Y Q ， Prasath babu R ， Slater T J A ， et al . An investigation of diffusion-mediated cyclic coarsening and reversal coarsening in an advanced Ni-based superalloy ［J］. Acta Materialia ， 2016 ， 110 ： 295 - 305 .
Li X Y ， Zhang H P ， Bai J M ， et al . The evolution of γ’ precipitates and hardness response of a novel PM Ni-based superalloy during thermal exposure ［J］. Journal of Alloys and Compounds ， 2023 ， 942 ： 168757 .
张义文 ， 王福明 ， 胡本芙 . Hf含量对镍基粉末高温合金中γ’相形态的影响 ［J］. 金属学报 ， 2012 ， 48 （ 8 ）： 1011 - 1017 .
Masoumi F ， Jahazi M ， Shahriari D ， et al . Coarsening and dissolution of γ’ precipitates during solution treatment of AD730™ Ni-based superalloy： Mechanisms and kinetics models ［J］. Journal of Alloys and Compounds ， 2016 ， 658 ： 981 - 995 .
Yu H ， Wang Z T ， Zhang B Y ， et al . Irregular growth of the γ’ phase in a Ni-based superalloys under slow cooling rate ［J］. Materials Letters ， 2022 ， 307 ： 131067 .
Fan X Q ， Guo Z P ， Wang X F ， et al . Morphology evolution of γ’ precipitates in a powder metallurgy Ni-base superalloy ［J］. Materials Characterization ， 2018 ， 139 ： 382 - 389 .
Cha P R ， Yeon D H ， Chung S H . Phase-field study for the splitting mechanism of coherent misfitting precipitates in anisotropic elastic media ［J］. Scripta Materialia ， 2005 ， 52 （ 12 ）： 1241 - 1245 .
Jackson M P ， Reed R C . Heat treatment of UDIMET 720Li： The effect of microstructure on properties ［J］. Materials Science and Engineering： A ， 1999 ， 259 （ 1 ）： 85 - 97 .
胡本芙 ， 刘国权 ， 吴凯 ， 等 . 镍基粉末冶金高温合金中γ′相形态不稳定性研究 ［J］. 金属学报 ， 2012 ， 48 （ 3 ）： 257 - 26 .
0
浏览量
5
下载量
0
CSCD
0
CNKI被引量
- 网络PDF下载
- WORD下载
- Meta-XML下载
- BibTeX下载
- Endnote下载
- RefMan 下载
- NoteExpress下载
- NoteFirst下载
关联资源
相关文章
相关作者
相关机构
- 技术支持由北京北大方正电子有限公司提供 鄂ICP备2022000839号
京公网安备11010802024621 - 本系统建议在Chrome、 IE9+ 以上版本浏览器阅读本站内容，360浏览器请切换至极速模式
- Cookies帮助我们提供服务并提供个性化体验。使用本网站，即表示您同意我们使用Cookies
- 总访问量：35684