ＧＨ４２２０ 合 金 是 我 國 仿 制 前 蘇 聯(lián) 的ХН５１ВМТЮКФРВД 鎳 基 時 效 沉 淀 硬 化 型 高 溫 合金 。 合金以 Ｎｉ 為基體， 添加約（ 質(zhì)量分數(shù)， 下同）１１％ Ｃｒ、１５％ Ｃｏ、６％ Ｗ、６％ Ｍｏ、０． ５％ Ｖ 作為固溶強化元素，４． ５％ Ａｌ、２． ５％ Ｔｉ 作為時效強化元素， 同時加入Ｃ、Ｂ、Ｃｅ、Ｍｇ 作為微合金化元素。 Ｃｒ 是高溫合金中不可缺少的合金化元素，除了低膨脹高溫合金外，幾乎所有高溫合金中都含有金屬元素 Ｃｒ。 Ｃｒ 溶入 γ 固溶體，引起晶格畸變， 起到固溶強化作用， 提高 γ 固溶體的強度，此外 Ｃｒ 的另 一個十分重要的作用， 就是形成Ｃｒ ２ Ｏ ３ 氧化膜， 使高溫合金具有良好的抗氧化和抗腐蝕性能，且 Ｃｒ含量越高，抗氧化性越好；鎳基合金中加入 Ｃｏ，引起固溶強化， 提高基體的強度， 同時使合金的蠕變速率降低，從而提高合金的高溫力學(xué)性能。 另外，Ｃｏ 在高溫合金中具有優(yōu)異的抗熱腐蝕性能和抗熱疲勞性能，使合金的使用溫度及高溫性能得以進一步提高；Ｗ、Ｍｏ 也是高溫合金中常用的固溶強化元素， 由于Ｗ、Ｍｏ 的原子半徑大于 Ｎｉ， 添加 Ｗ、Ｍｏ 會引起晶格明顯膨脹，形成較大的長程應(yīng)力場， 阻止位錯運動， 使合金屈服強度明顯提高。 另外 Ｗ 加入高溫合金后， 除了約有一半溶于 γ 固溶體引起固溶強化外， 另一半溶入了γ′強化相，起時效強化作用；Ｖ 的原子半徑比 Ｎｉ 大，所以加入 Ｖ 后同樣能提高基體的強度， 同時 Ｖ 具有細化合金晶粒的作用， 改善了合金的熱加工工藝塑性。ＧＨ４２２０ 合金中加入高溫合金中常用而價格又便宜的Ａｌ、Ｔｉ 作為時效強化元素， 形成 γ′強化相， 提高合金的強度；Ｃ、Ｂ、Ｃｅ、Ｍｇ 作為微合金化元素， 提高了晶界的結(jié)合力，起強化晶界的作用。 通過提高晶界的結(jié)合力，可提高合金在高溫條件下的力學(xué)性能。

ＧＨ４２２０ 合金成分的優(yōu)異，決定了合金具有較高的使用溫度以及在高溫條件下具備優(yōu)異的力學(xué)性能。所以，該材料成為制造在 ９５０ ℃以下工作的航空發(fā)動機渦輪工作葉片、緊固件等零部件的優(yōu)先選用材料。 以航空發(fā)動機用 ＧＨ４２２０ 合金螺栓為例，其技術(shù)要求為：９５０ ℃高溫抗拉強度≥４９０ ＭＰａ； 應(yīng)力持久性能保持 ４０ ｈ 不斷（９４０ ℃ 加載 ２１５ ＭＰａ） ；室溫抗拉強度≥１０００ ＭＰａ。

但是，在 ＧＨ４２２０ 合金螺栓的生產(chǎn)過程中， 因存在合金在冶煉過程中爐批次間的成分含量波動， 合金元素偏析，雜質(zhì)元素的數(shù)量、種類、大小、形狀不同， 以及合金熱變形工藝等因素的不同， 導(dǎo)致螺栓按標(biāo)準(zhǔn)熱處理制度進行熱處理后，室溫抗拉強度、高溫抗拉強度和應(yīng)力持久性能往往不能滿足螺栓技術(shù)條件的要求。

對 ＧＨ４２２０ 高溫合金的組織演變至關(guān)重要的熱處理工藝被研究者廣泛關(guān)注， 相比于標(biāo)準(zhǔn)熱處理制度后獲得的平直晶界形態(tài)， 研究者發(fā)現(xiàn)可以通過熱處

理獲得 ＧＨ４２２０ 合金的彎曲晶界， 并且對合金的性能有較大的改善作用。 本文以 ＧＨ４２２０ 合金螺栓為研究對象，在保持 ＧＨ４２２０ 合金的標(biāo)準(zhǔn)熱處理制度即固溶和時效的溫度、時間參數(shù)不變的情況下，在生產(chǎn)實際中，反復(fù)摸索，通過調(diào)整 １２２０ ℃固溶處理冷卻階段的冷方式， 將 標(biāo)準(zhǔn)熱 處理制 度 的 空 冷 改 為 緩 慢 冷 卻（２４ ｍｉｎ冷卻至 １１００ ℃ 保溫 １ ｍｉｎ，之后空冷） ，將晶界形態(tài)由平直晶界變?yōu)閺澢Ы纾?從而提高 ＧＨ４２２０ 合金螺栓的力學(xué)性能。

試驗材料

本次試驗原材料按照 ＧＪＢ １９５３Ａ—２００８《航空發(fā)動機轉(zhuǎn)動件用高溫合金熱軋棒材規(guī)范》 執(zhí)行， ＧＨ４２２０合金化學(xué)成分見表 １。

試驗設(shè)備

螺栓頭部采用 ＷＨⅤ Ⅲ ５０ 感應(yīng)加熱設(shè)備進行感應(yīng)加熱、紅外溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)進行測溫、１６０ ｔ 雙盤摩擦壓力 機進行熱鐓成形。 固溶、時效設(shè)備均采用可自 動控制冷卻速度同時具備空冷能力 的 ＷＺＣ３０ 型真空油淬爐。 室溫拉伸試驗采用 ＣＭＴ５５０５ 微機控制電子萬能試驗機， ９５０ ℃ 高溫拉伸試驗采用ＣＭＴ５２０５ 微機控制電子萬能試驗機， ９４０ ℃ 應(yīng)力 持久性能試驗采用 ＧＷＴ２１０５ 高溫蠕變持久強度試驗機。 微觀組織觀察采用蔡司 ＳＵＰＲＡ４０ 場發(fā)射掃 描電鏡。

試驗方案及方法

螺栓加工工藝流程： 潤滑→熱鐓→清洗→固溶（ 兩次固 溶） →機械加 工 →螺紋滾壓成形 →時效。ＧＨ４２２０ 合金螺栓的標(biāo)準(zhǔn)熱處理和緩慢冷卻熱處理工藝見表 ２。

螺栓螺紋規(guī)格為 ＭＪ１２ ｍｍ × １． ２５ ｍｍ， 示意圖如圖 １ 所示。 并分別各取 ５ 件螺栓進行室溫拉伸試驗、高溫拉伸試驗和高溫應(yīng)力持久試驗。

試驗結(jié)果

圖 ２（ ａ，ｂ） 分別為標(biāo)準(zhǔn)熱處理、緩慢冷卻熱處理后ＧＨ４２２０ 合金的晶界形貌圖。 可以看出標(biāo)準(zhǔn)熱處理后ＧＨ４２２０ 合金的晶界較為平直， 而經(jīng)過緩慢冷卻熱處理制度的晶界呈彎曲狀態(tài)， 與標(biāo)準(zhǔn)熱處理制度的試樣相比，晶界平直的特征消失，晶界形態(tài)類似鋸齒狀。 這種鋸齒狀的彎曲晶界是高溫緩冷過程中晶界析出第二相和位向與界面能綜合作用的結(jié)果。

表３ 為不同熱處理制度下 ＧＨ４２２０ 合金螺栓的室溫拉伸強度。 可以看到，標(biāo)準(zhǔn)熱處理后螺栓的室溫抗拉強度為 ９９０ ～１０１５ ＭＰａ，平均 １００４ ＭＰａ。 緩慢冷卻熱處理后的螺栓室溫抗拉強度為 １１３０ ～１１５０ ＭＰａ，平均 １１４３ ＭＰａ，滿足了室溫拉伸強度大于等于 １０００ ＭＰａ 的技術(shù)要求。緩慢冷卻熱處理后的螺栓比標(biāo)準(zhǔn)熱處理后抗拉強度平均提高了 １３９ ＭＰａ，室溫抗拉強度提高幅度為 １３．８％。

表 ４ 為不同熱處理制度下 ＧＨ４２２０ 合金螺栓在９５０ ℃ 時的高溫抗拉強度。 從表 ４ 可知， 標(biāo)準(zhǔn)熱處理后螺栓在 ９５０ ℃ 時的高溫抗拉強度為 ４７５ ～ ４８０ ＭＰａ，平均 ４７８ ＭＰａ。 緩慢冷卻熱處理后螺栓的高溫抗拉強度為 ５２７ ～５３９ ＭＰａ，平均 ５３２ ＭＰａ，滿足 ９５０ ℃ 高溫抗拉強度大于等于 ４９０ ＭＰａ 的技術(shù)要求。 緩慢冷卻熱處理后的螺栓比標(biāo)準(zhǔn)熱處理后， 高溫抗拉強度平均提高了５４ ＭＰａ，提高幅度為 １１．３％ 。

表 ５ 為不同熱處理制度下， 螺栓在 ９４０ ℃ 加載２１５ ＭＰａ 下的應(yīng)力持久時間。 從表 ５ 可知， 標(biāo)準(zhǔn)熱處理后螺栓的應(yīng)力持久時間為 ３７． ９ ～ ３８． ５ ｈ， 平均持久時間為 ３８． ２ ｈ。 緩慢冷卻熱處理后螺栓的應(yīng)力持久時間為 ５０． ５ ～ ５２． ７ ｈ，平均高溫應(yīng)力持久時間為 ５１． ７ ｈ。緩慢冷卻熱處理后螺栓比標(biāo)準(zhǔn)熱處理的高溫應(yīng)力持久時間平均提高了 １３． ５ ｈ，提高幅度達35％ 。

綜上所述， 僅通過改變 ＧＨ４２２０ 合金螺栓標(biāo)準(zhǔn)熱處理第一階段固溶處理的冷卻速度就可以實現(xiàn)對晶界形態(tài)的調(diào)控，并且在該彎曲晶界形態(tài)下，試樣的室溫拉伸強度、高溫拉伸強度以及高溫應(yīng)力持久時間得到一定的提高，尤其是高溫應(yīng)力持久時間。

分析與 討論

γ′相是 ＧＨ４２２０ 合金中主要的強化相 ， 按標(biāo)準(zhǔn)熱處理制度和緩慢冷卻熱處理制度處理后（ 見圖 ２） ，雖然合金中 γ′相的總量相同，都在42％～45％ ，不同的是，緩慢冷卻熱處理制度有尺寸不同的 γ′相， 使 γ′相質(zhì)點的間距變小， 而小 γ′相彌散分布在大 γ′相之間對位錯運動的阻礙作用更大。 因此， 彎曲晶界在提高晶界強度的同時，也改善了晶內(nèi)強度，使晶界強度和晶內(nèi)強度得以最佳配合，從而使高溫合金的強度得以提高，包括室溫及高溫瞬時抗拉強度和高溫持久強度。 另外彎曲晶界可有效推遲裂紋的形成和降低裂紋的擴展，從而改善力學(xué)性能。 高溫合金在高溫的斷裂往往垂直于主應(yīng)軸的晶界上， 對平直晶界往往在晶粒的三岔點處萌生，多為楔形裂紋，而彎曲晶界的裂紋萌生要比平直晶界困難得多， 因為晶界滑動是高溫裂紋形核的主要控制因素， 而彎曲晶界可有效阻止晶界滑動，因而推遲了晶界孔洞裂紋的形成。 同時彎曲晶界最重要的作用之一就是可以有效阻止或推遲裂紋的擴展，裂紋一旦萌生后出現(xiàn)的每一條微裂紋，由于其位向不同，而局限于彎曲晶界分段的較短單元范圍內(nèi)，與鄰近裂紋彼此隔開，故能阻止或推遲裂紋的擴展。 此外，彎曲晶界上微裂紋端部在擴展過程中遇到塑性較高的晶粒變形而鈍化，晶內(nèi)區(qū)域的應(yīng)力集中也因變形而得到松弛。 這樣就有效降低了裂紋的擴展速率， 推遲了大尺寸晶界裂紋的形成， 故晶界為彎曲晶界的試樣具備更高的高溫應(yīng)力持久時間。

通過調(diào)節(jié) ＧＨ４２２０ 合金的固溶冷卻速度， 可改變合金的晶界形態(tài)。 通過獲得彎曲 晶界， 成功解決了ＧＨ４２２０ 合金螺栓按標(biāo)準(zhǔn)熱處理制度進行熱處理后，室溫抗拉強度、高溫抗拉強度和高溫持久性能不能滿足技術(shù)條件的難題。 因此， 緩慢冷卻熱處理制度在航空發(fā)動機 ＧＨ４２２０ 合金螺栓的熱處理領(lǐng)域值得推廣。

結(jié)論

本文以 ＧＨ４２２０ 合金螺栓為研究對象，在保持其標(biāo)準(zhǔn)熱處理制度（兩段固溶 ＋ 時效）中固溶、時效處理的溫度、時間等參數(shù)不變的情況下，將 ＧＨ４２２０ 合金螺栓第一階段固溶處理后的空冷改為緩慢冷卻（２４ ｍｉｎ 冷卻至 １１００ ℃保溫１ ｍｉｎ，之后空冷），主要獲得以下兩點結(jié)論：１） 高溫緩慢冷卻條件下， 成功獲得了彎曲晶界，晶界形態(tài)由標(biāo)準(zhǔn)熱處理制度下的平直晶界變?yōu)殇忼X狀的彎曲晶界。２） 緩慢冷卻熱處理制度下獲得的彎曲晶界有效提升了晶界、晶內(nèi)強度，可推遲裂紋的形成和降低裂紋的擴展速率， 提高了 ＧＨ４２２０ 合金螺栓的室溫及高溫瞬時抗拉強度，延長了高溫應(yīng)力持久時間（13.5 ｈ） 。

上海飛釩特鋼集團有限公司

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