A286螺栓晶粒異常長大原因分析

■ 許永春，董新燕，朱玲玲，田柱，徐儉，武艷軍

A286是Fe-25Ni-15Cr鐵基高溫合金，加入鉬、鈦、鋁、釩及微量硼元素綜合強(qiáng)化。在650℃以下具有較高的屈服強(qiáng)度和持久、蠕變強(qiáng)度，并且具有較好的加工塑性和良好的焊接性能，適合制造在650℃以下長期工作的航空發(fā)動機(jī)高溫承力部件，如渦輪盤、壓氣機(jī)盤、轉(zhuǎn)子葉片和緊固件等。相近的材料牌號為我國的GH2132，法國的ZbNCT25等。

晶粒度是表征材料力學(xué)性能的一個重要指標(biāo)。細(xì)小的晶?？梢杂行岣呓饘俨牧鲜覝亓W(xué)性能如抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等，而高溫下，較為粗大的晶粒具有更好的高溫持久、抗蠕變性能。

我公司對發(fā)動機(jī)用A286螺栓在成品檢測時，反復(fù)出現(xiàn)晶粒度超出標(biāo)準(zhǔn)要求，并且存在表層晶粒粗大、心部晶粒細(xì)小等帶狀組織現(xiàn)象，服役后將對發(fā)動機(jī)造成極大的危害。

A286原材料為真空感應(yīng)、自耗電極熔煉的進(jìn)口高溫合金棒材，來料狀態(tài)為固溶態(tài)，對原材料進(jìn)行ICP（電感耦合等離子發(fā)射光譜分析儀）分析，其化學(xué)成分如表1所示。

對A286原材料進(jìn)行顯微組織分析，具體如圖1所示。

從圖1中可以看出：圖1a為100×下的原材料顯微組織與晶粒度，組織均勻，未發(fā)現(xiàn)大小相差較大的晶粒，晶粒度為6.5級；圖1b為500×下的顯微組織形貌，顯微組織以固溶孿晶為主，存在規(guī)則形狀的氮化物（主要為氮化鈦夾雜）。

1. 產(chǎn)品顯微組織分析

A286螺栓的加工工藝一般為：下料→鐓制（頭部成形）→普車→固溶→時效→噴砂→滾螺紋等。成品在最終金相檢測時，出現(xiàn)了大面積的粗大晶粒，晶粒度遠(yuǎn)超出標(biāo)準(zhǔn)，且屈服強(qiáng)度不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖1 原材料顯微組織與晶粒度

表1 A286高溫合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

圖2顯示了宏觀組織，圖2a中靠近心部，腐蝕較淡，為細(xì)晶粒組織，邊緣螺紋及靠近邊緣部分腐蝕顏色較深，為粗晶粒組織，粗晶范圍占整個面積的1/2～2/3，嚴(yán)重超出標(biāo)準(zhǔn)要求；圖2b為頭部宏觀組織形貌，組織較為均勻，未發(fā)現(xiàn)存在較大差別。

顯微組織如圖3所示。圖3a為螺紋部位粗大的晶粒，依據(jù)ASTM E112進(jìn)行評級，其晶粒度為1級，標(biāo)準(zhǔn)要求為5級或更細(xì)，實(shí)測大于標(biāo)準(zhǔn)要求；圖3b為螺紋部位心部晶粒，晶粒較為細(xì)小，其晶粒度等級為6.5級；圖3c為頭部的顯微組織，晶粒均勻，且較為細(xì)小，其晶粒度等級為7.5級。

2. 產(chǎn)品力學(xué)性能檢測

對表層粗晶粒與心部細(xì)晶粒進(jìn)行顯微硬度分析，具體數(shù)據(jù)參見表2。

從表2表層與心部的顯微硬度值來看，二者存在的差異較大，最大相差32HV0.3，最小相差26HV0.3，粗晶粒比細(xì)晶粒的顯微硬度平均小28HV0.3。其表層與心部硬度曲線如圖4所示。

由于產(chǎn)品形狀限制，無法用產(chǎn)品進(jìn)行抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度試驗(yàn)，特選取產(chǎn)品光桿部分加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行力學(xué)性能分析，其抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度如表3所示。

從表3力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出：產(chǎn)品的極限抗拉強(qiáng)度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，而屈服強(qiáng)度僅兩個數(shù)據(jù)大于標(biāo)準(zhǔn)值，其余均不合格。

3. 理論分析

由Hall-Petch公式：

σys=σ0+kyd-1/2

試驗(yàn)已經(jīng)證明，晶粒越細(xì)，材料的強(qiáng)度越高。上述結(jié)論可以用晶界位錯塞積理論解釋。如某晶粒內(nèi)部中心附近有一位錯源，在外加應(yīng)力的作用下位錯沿著某一滑移系移動，當(dāng)位錯在晶界處受阻，使之塞積起來，位錯塞積就產(chǎn)生了應(yīng)力集中。

在同樣的外加載荷作用下，粗晶粒晶界附近塞積的位錯數(shù)要多于細(xì)晶粒；位錯塞積后對晶粒中心的位錯源產(chǎn)生了背向力，當(dāng)背向力增大到某一數(shù)值時，可以抑制位錯源運(yùn)動，細(xì)晶粒的背向力要大于粗晶粒，由于粗晶粒塞積的位錯多，造成的應(yīng)力集中大，更容易使相鄰的晶粒位錯源開動，因此粗晶粒的屈服強(qiáng)度比細(xì)晶粒要低。

圖2 產(chǎn)品宏觀組織（6.7×）

表2 表層與心部顯微硬度 （HV0.3)

表3 力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3 產(chǎn)品顯微組織（100×）

由上分析可知，此批A286螺栓屈服強(qiáng)度較低，為產(chǎn)品晶粒較為粗大所造成。

由A286螺栓的加工工藝可知，產(chǎn)品經(jīng)鐓制后，又重新進(jìn)行了固溶處理，A286固溶溫度為982℃，大于其再結(jié)晶溫度。在固溶時，經(jīng)過冷變形的A286螺栓發(fā)生了再結(jié)晶現(xiàn)象。影響再結(jié)晶的因素主要為臨界變形度，變形度越大，再結(jié)晶溫度就越小。高溫合金在熱加工變形中，很大或很小的變形量，經(jīng)再次固溶時均易產(chǎn)生晶粒異常長大。

資料表明，金屬材料的一般臨界變形度為2%~10%。由于A286螺栓頭部成形時變形量較大，大于臨界變形度，所以在固溶時，發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象，晶粒正常長大，而桿心部未產(chǎn)生形變，而邊緣部分變形量較小，處于臨界變形的位置，經(jīng)固溶后，發(fā)生二次再結(jié)晶造成晶粒的異常長大。

4. 要因驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述理論分析的準(zhǔn)確性，又通過選用冷拉態(tài)的A286原材料替代固溶態(tài)的料，采用上述不變的加工工藝，重新加工了幾批產(chǎn)品，具體顯微組織如圖5所示。

圖5顯示了A286螺栓顯微組織及晶粒，圖5a為頭部顯微組織，組織較為均勻，晶粒度為7.5級；圖5b顯示了桿部的晶粒度及顯微組織，組織為均勻的孿晶組織，晶粒度為7級。頭部與桿部的晶粒度基本相同，沒有較大晶粒存在。

用冷拉態(tài)或熱軋態(tài)來代替固溶態(tài)的原材料，使之產(chǎn)生預(yù)變形，在鐓制頭部后，經(jīng)高溫重新固溶，發(fā)生再結(jié)晶之后，晶?；疽恢?，而沒有產(chǎn)生二次再結(jié)晶現(xiàn)象，其力學(xué)性能如表4所示。

表4顯示了冷拉態(tài)的A286原材料，經(jīng)工藝加工后最終產(chǎn)品的力學(xué)性能。抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且富余量較大。

其表層及心部的顯微硬度如表5所示。

從表5表層與心部的顯微硬度數(shù)據(jù)中，可以看出二者硬度相差不大，最大僅相差3HV0.3。

圖4 表層與心部硬度曲線

圖5 顯微組織及晶粒度（100×）

表4 最終產(chǎn)品力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表5 表層與心部顯微硬度 （HV0.3）

5. 結(jié)語

導(dǎo)致A286螺栓桿部晶粒異常長大的主要因素為桿部變形量沒有達(dá)到臨界變形度以上。在2%~10%的變形量范圍內(nèi)，高溫固溶時出現(xiàn)二次再結(jié)晶現(xiàn)象，導(dǎo)致晶粒異常長大。通過使用冷拉態(tài)或熱軋態(tài)的原材料，使之產(chǎn)生預(yù)變形，高于臨界變形度，然后經(jīng)正常的工藝加工，避免了螺栓桿部晶粒的異常再結(jié)晶，保證了產(chǎn)品的力學(xué)性能。