時效制度對GH2132鎳基高溫合金性能的影響
GH2132是我國試制的鐵基沉淀硬化型高溫合金,相當(dāng)于美系A(chǔ)286高溫合金。該材料在650℃以下具有高的屈服強度和持久、蠕變強度,并具有較好的加工塑性和滿意的焊接性能。在國內(nèi)該合金已在航空領(lǐng)域獲得較為廣泛的應(yīng)用,適合制造在650℃以下長期工作的航空發(fā)動機高溫承力部件,如渦輪盤、壓氣機盤、轉(zhuǎn)子葉片和高溫緊固件等。
用GH2132合金制造的航空發(fā)動機螺栓,其技術(shù)要求為:①室溫抗拉強度≥900MPa;②硬度27~35HRC;③應(yīng)力斷裂試驗650℃、加載480MPa、保持23h不斷;④晶粒度≥5級,不允許有粗細(xì)晶粒帶存在。但是,技術(shù)要求沒有提出高溫強度指標(biāo)和疲勞性能指標(biāo)。在航空用GH2132螺栓的長期生產(chǎn)中,由于GH2132合金在冶煉過程中每個爐批次存在成分含量的波動,合金元素偏析,雜質(zhì)數(shù)量、種類、大小、形狀以及熱變形工藝等因素的影響。按標(biāo)準(zhǔn)熱處理制度熱處理后,晶粒度和持久性能不能同時滿足技術(shù)要求而報廢的情況十分嚴(yán)重。
高溫合金都是以γ奧氏體為基,從室溫到高溫都具有面心立方結(jié)構(gòu)。因此,高溫合金在熱處理過程中,不能通過相的重結(jié)晶來細(xì)化晶粒。隨著固溶溫度的升高以及保溫時間的延長,晶粒長大趨勢越明顯。為保證晶粒度,熱處理工藝上通常在標(biāo)準(zhǔn)熱處理制度規(guī)定的范圍內(nèi)選取較低的固溶保溫溫度和較短的固溶保溫時間,但按標(biāo)準(zhǔn)時效制度時效后GH2132合金的持久性能不易保證。所以,在目前國產(chǎn)高溫合金的冶煉水平下想要同時保證GH2132航空發(fā)動機螺栓類產(chǎn)品的晶粒度和持久性能,只能在時效制度上做調(diào)整。通過研究不同時效制度對GH2132航空發(fā)動機螺栓性能的影響,以獲得GH2132航空發(fā)動機螺栓良好持久性能的最佳時效制度。
1試驗材料與方法
1.1試驗材料
本次試驗原材料為真空感應(yīng)、真空自耗電極重熔生產(chǎn)的GH2132國產(chǎn)高溫合金規(guī)格5.3mm冷拉態(tài)棒材。其合金化學(xué)成分見表1,符合GJB2611—1996《航空用高溫合金冷拉棒材規(guī)范》中的規(guī)定。
1.2試樣尺寸
常溫抗拉、高溫抗拉、持久、疲勞試樣采用螺紋規(guī)格為0.187-32UNS-3A的十二角頭螺栓,硬度與金相試樣規(guī)格為5.3mm×12mm。螺栓頭部采用熱鐓成型,試樣結(jié)構(gòu)見圖1。
1.3試驗方法及設(shè)備
為了與實際生產(chǎn)的條件一致,力學(xué)性能試樣統(tǒng)一采用熱鐓成型。然后同爐980℃×1h進(jìn)行固溶處理,按不同時效制度進(jìn)行時效,最后統(tǒng)一滾絲后進(jìn)行各項試驗檢測。持久試驗每爐掛3件,以首件斷裂時間為持久時間;疲勞試驗高載按抗拉強度的60%即540MPa加載,低載按高載的10%即54MPa進(jìn)行拉-拉疲勞檢測。試驗使用的設(shè)備有WZC-30型雙室真空油淬爐、WZH-45型單室真空回火爐、N-336型六角車床、J23-63B型熱鐓機床、CK6432型數(shù)控車床、CM6125型普通車床、H3-5型滾R機、PCB-14S-NC型數(shù)控?zé)o心磨床、RP24-E-CNC型進(jìn)口滾絲機、HR150-A型洛氏硬度測試機、CMT5105型常溫(高溫)拉伸試驗機、R-9200G型疲勞試驗機、GWT2015型持久試驗機、ZXQ-5型金相試樣自動壓片機、MA2001型金相顯微鏡。GH2132合金的時效方案如表2所示。
2試驗結(jié)果
2.1硬度
表3為不同時效制度后螺栓的硬度,由表3硬度試驗數(shù)據(jù)可看出,經(jīng)680℃×24h時效后螺栓的硬度值最高,平均值為32.3HRC,相比標(biāo)準(zhǔn)時效制度平均提高2.1HRC。680℃×16h時效后硬度稍高于標(biāo)準(zhǔn)時效制度,經(jīng)650℃×24h時效后螺栓的硬度最低,平均值28.2HRC。
2.2室溫抗拉強度
表4為不同時效制度后的室溫抗拉強度,由表4室溫抗拉試驗數(shù)據(jù)可看出,經(jīng)680℃×24h時效后室溫抗拉值最高,平均值為1256MPa,相比標(biāo)準(zhǔn)時效制度平均提高48MPa。經(jīng)680℃×16h時效后室溫抗拉強度稍高于標(biāo)準(zhǔn)時效制度,經(jīng)650℃×24h時效后室溫抗拉強度最低,平均值為996MPa。
2.3高溫抗拉強度
表5為不同時效制度后螺栓的高溫抗拉強度,由表5高溫抗拉試驗數(shù)據(jù)可看出,經(jīng)680℃×24h時效后高溫抗拉值最高,平均值為1000MPa,相比標(biāo)準(zhǔn)時效制度平均提高37MPa。經(jīng)680℃×16h時效后高溫抗拉強度稍高于標(biāo)準(zhǔn)時效制度.,經(jīng)650℃×24h時效后高溫抗拉強度最低,平均值為793MPa。
2.4持久性能
表6為不同時效制度后螺栓的持久數(shù)據(jù),由表6持久試驗數(shù)據(jù)可看出,經(jīng)680℃×24h時效后持久時間最長,高出標(biāo)準(zhǔn)時效制度27.74%。經(jīng)680℃×16h時效后持久時間稍高于標(biāo)準(zhǔn)時效制度。經(jīng)650℃×24h時效后持久時間最低,只有18.56h。
2.5疲勞性能
表7為不同時效制度后螺栓的疲勞數(shù)據(jù),由表7疲勞試驗數(shù)據(jù)可看出,經(jīng)650℃×24h時效后的疲勞性能最好,其平均值為118.91萬次。經(jīng)680℃×24h時效后疲勞性能最低,其平均值為40.44萬次。與標(biāo)準(zhǔn)時效制度相比降低了47.23%,但仍遠(yuǎn)高于6.5萬次。因此,經(jīng)680℃×24h時效后GH2132螺栓的使用是安全可靠的。
2.6顯微組織
圖2為不同時效制度后螺栓的顯微組織,可以看出,4個時效制度后晶粒度均為7級。熱處理工序決定晶粒度大小的因素為固溶溫度和固溶保溫時間。因此,要保證晶粒度合格,必須在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的固溶溫度和時間范圍內(nèi)選擇最低的固溶溫度和最短的固溶保溫時間。由于時效后GH2132沉淀析出相的尺寸都處于納米級別,所以在光學(xué)金相顯微鏡下是無法識別其形貌及數(shù)量。
3討論與分析
圖3為不同時效制度后螺栓的硬度和強度、持久時間和疲勞壽命。表3~表7以及圖2、圖3所示的結(jié)果表明,相比原定標(biāo)準(zhǔn)時效制度,經(jīng)680℃×24h時效后GH2132航空發(fā)動機螺栓的硬度和強度以及持久性能可顯著提升。
高溫合金沉淀強化機理有以下4種沉淀強化機制:①共格應(yīng)變強化機制:γ′相是鐵基和鎳基高溫合金的主要強化相,而其中很多高溫合金中析出的γ′相和γ基體共格。盡管γ′與γ具有相同的面心立方結(jié)構(gòu),但是兩者晶格常數(shù)不同,要產(chǎn)生共格應(yīng)變。從而在γ′相周圍要引起高的彈性應(yīng)力場,阻礙位錯運動。Gerold等對共格應(yīng)變強化機制做了大量的研究。②Orowan繞過機制:在高溫合金γ奧氏體基體內(nèi)彌散分布的沉淀相顆粒,當(dāng)這些顆粒比基體硬,強度比基體高,顆粒間距較大或者與基體沒有共格關(guān)系時,運動位錯不能切割這類質(zhì)點。而只能通過繞過方式越過這些障礙物,留下大量位錯環(huán)強化基體。③位錯切割有序顆粒機制:當(dāng)高溫合金γ基體中沉淀相硬度較低,強度不高,且與基體γ共格,具有公共的滑移面。且伯氏矢量相差很小或基體中的全位錯是沉淀相中的半位錯時,運動位錯以切割γ′相的形式通過障礙。這與Ham對其研究的結(jié)果是一致的。④位錯攀移機制:當(dāng)施加應(yīng)力較低,不足以開動位錯切割機制或Orowan繞過機制時,蠕變變形只能借助于位錯以熱激活攀移方式越過強化粒子。
沉淀強化機理總的來說就是位錯與γ′相及硬化顆粒的交互作用使得基體得到強化。因此,沉淀強化相的數(shù)量是高溫合金強化的根本保證,即使高溫合金的成分相差較大,合金基體成分也不一樣,制備工藝有的是鑄造,有的是熱加工變形,但是他們在室溫的屈服強度均隨高溫合金中γ′相總量的增加而提高。同樣,高溫合金的持久強度也隨γ′相體積分?jǐn)?shù)的增加而增大。通常γ′相的體積分?jǐn)?shù)隨合金中加入的Al+Ti的含量而增加。另外,強化相γ′的尺寸和間距在高溫合金強化中是一個非常重要的參數(shù)。對于較低γ′相含量(通常<20%)的合金,共格應(yīng)變強化是主要強化機制。γ′相尺寸愈大,愈有利于強度的提高,γ′相的適宜尺寸為10~50nm。對Orowan繞過和攀移機制則希望γ′相尺寸越小,因為在同一γ′相總量的情況下,γ′相之間的間距越小,強度就越高。而對位錯切割機制則希望γ′相大一些,強度隨顆粒增大而升高。另外,合金中有兩種甚至多種尺寸的γ′相,對位錯運動的阻礙作用更加強烈,可有效提高合金的強度及高溫持久性能。
根據(jù)《工程材料實用手冊》和《高溫合金材料學(xué)》的介紹,GH2132屬高Ti低Al合金,經(jīng)原定標(biāo)準(zhǔn)熱處理后在γ基體上有球狀均勻彌散分布的Ni3(Ti,Al)型γ′相以及TiN、TiC,晶界有微量M3B2,晶界附近存在少量η相和L相,晶粒尺寸達(dá)6~7級。γ′相的溶解溫度為830~850℃,開始析出溫度在650℃左右,700~730℃析出最多。原定標(biāo)準(zhǔn)熱處理后γ′相數(shù)量約占合金質(zhì)量的2%~3%,直徑約為10~20nm。雖然原定標(biāo)準(zhǔn)時效溫度是GH2132合金γ′相時效析出的峰值溫度,相比之下680℃時效后γ′相數(shù)量不及原定標(biāo)準(zhǔn)時效溫度。但是680℃時效后析出的γ′相的尺寸更小且彌散度更大,對位錯的阻礙作用就越強烈。另外,680℃時效保溫結(jié)束后緩慢冷卻到γ′相的開始析出溫度650℃這一區(qū)間,會繼續(xù)析出不同尺寸且彌散度更高的γ′相,既增加了γ′相的數(shù)量,而且獲得了多種尺寸的γ′相,從而引起硬度、強度和持久性能的顯著提升。隨著合金強度的升高,合金塑性降低,導(dǎo)致韌性降低,最終導(dǎo)致疲勞壽命的降低。所以經(jīng)680℃×24h時效后其硬度、強度和持久性能比標(biāo)準(zhǔn)時效制度更高,疲勞壽命有所降低,但是目前用GH2132合金制造的航空發(fā)動機螺栓產(chǎn)品,其技術(shù)條件并沒有疲勞性能指標(biāo)要求。
為了考核經(jīng)680℃×24h時效后GH2132發(fā)動機螺栓使用安全性,參照航空發(fā)動機螺栓產(chǎn)品疲勞壽命≥6.5萬次的性能要求進(jìn)行疲勞試驗,其疲勞壽命平均值為40.44萬次,遠(yuǎn)高于6.5萬次。所以680℃×24h時效制度完全可以保證GH2132航空發(fā)動機螺栓的使用安全。從提高航空發(fā)動機用GH2132螺栓產(chǎn)品的強度以及持久性能,并保證疲勞性能方面考慮,其最佳時效制度應(yīng)為680℃×24h。
4結(jié)論
1)相比GH2132合金原定標(biāo)準(zhǔn)時效制度720℃×16h,采用680℃×24h時效制度可大幅度提高合金的硬度、室溫強度、高溫強度,其持久斷裂時間可提高20%以上。
2)采用最低固溶處理工藝參數(shù)以保證晶粒度合格的前提下,提高航空發(fā)動機GH2132合金持久性能的最佳時效制度為680℃×24h,緩慢冷卻。
3)GH2132合金經(jīng)680℃×24h時效后,疲勞壽命雖有所降低,但仍高達(dá)40.44萬次,遠(yuǎn)高于航空發(fā)動機技術(shù)條件規(guī)定的6.5萬次。所以,使用是安全可靠的。
