GH909合金環(huán)形鍛件持久性能不合格問(wèn)題分析

文／馬栓柱，臧德昌，蔡梅，趙劍青·沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司

薛慶增·PLA駐沈陽(yáng)黎明發(fā)動(dòng)機(jī)制造公司軍事代表室

針對(duì)GH909合金環(huán)形鍛件高溫持久性能不合格的問(wèn)題，研究了鍛造工藝參數(shù)、熱處理制度、原材料中Si元素含量對(duì)高溫持久性能的影響，提出了優(yōu)化方案。結(jié)果表明，高溫持久性能不合格主要是因?yàn)榻M織不均勻及組織中ε相含量少，通過(guò)選擇合理的鍛造工藝參數(shù)及采用環(huán)軋生產(chǎn)方式可獲得更均勻的組織，研究表明通過(guò)過(guò)時(shí)效熱處理及提高原材料中Si元素含量有利于ε相析出，進(jìn)而提高持久性能指標(biāo)。

引言

GH909合金是在GH907合金基礎(chǔ)上提高Si含量而研制出的Fe-Ni-Co基沉淀硬化型變形高溫合金，使用溫度在650℃以下，由于此類合金熱膨脹系數(shù)低，且隨溫度變化率小，因此在很寬的溫變循環(huán)中可有效地控制發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)部件和靜部件的間隙大小，減少燃?xì)鈸p失，節(jié)能降耗，提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率，延長(zhǎng)零部件壽命。近年來(lái)，GH909合金在航空和航天領(lǐng)域應(yīng)用日益擴(kuò)大，對(duì)其零件的高溫性能的要求日益苛刻。某鍛造廠生產(chǎn)的GH909合金環(huán)形鍛件在理化檢查時(shí)高溫持久性能未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，表現(xiàn)出缺口敏感性。本文通過(guò)分析鍛造工藝參數(shù)、鍛造方式、原材料中Si元素含量及熱處理制度對(duì)GH909合金高溫持久性能的影響，提出了改善GH909合金高溫持久性能的有效措施，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)產(chǎn)品或挽救不合格在制品均具有重要意義。

試驗(yàn)材料和方案

試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所用GH909合金材料的化學(xué)成分按照表1要求控制。

試驗(yàn)方案

⑴通過(guò)投產(chǎn)研究鍛造工藝參數(shù)及成形方式對(duì)高溫持久性能的影響。

環(huán)形件鍛件尺寸φ365mm×φ275mm×64mm(外徑×內(nèi)徑×高度），試驗(yàn)件編號(hào)分別為S1、S2、S3、S4，具體的工藝路線如表2所示，高倍理化試樣的切取位置按圖1進(jìn)行。

⑵通過(guò)投產(chǎn)研究原材料中Si含量及熱處理制度對(duì)高溫持久性能的影響。

環(huán)形鍛件尺寸φ535mm×φ450mm×65mm(外徑×內(nèi)徑×高度），試驗(yàn)件采用軋制成形，具體的工藝路線為：下料（φ180mm×222mm）→一次鐓粗（預(yù)熱800±10℃和加熱1030±10℃，變形量約55%）→二次鐓粗并沖孔(加熱1030±10℃，變形量約32%）→擴(kuò)孔(加熱1030±10℃，變形量約30%）→整形(加熱990±10℃）→軋制(加熱1000±10℃，實(shí)測(cè)最終尺寸φ538mm×φ443mm×65mm，變形量約28%）→熱處理→終檢。鍛件按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行固溶、時(shí)效處理后，對(duì)硅含量較低的鍛件進(jìn)行過(guò)時(shí)效處理，熱處理制度見(jiàn)圖2。將不同Si含量及熱處理制度的試驗(yàn)件分別編號(hào)為P1、P2、P3，具體信息如表3所示。

表1 GH909化學(xué)成分（wt%）

表2 試驗(yàn)件工藝路線信息表

表3 環(huán)軋成形試驗(yàn)件信息表

圖1 高倍試樣取樣圖(n=1～4)

試驗(yàn)結(jié)果及分析

鍛造加熱溫度和成形方式對(duì)高溫持久性能的影響

圖2 熱處理工藝曲線

在生產(chǎn)試驗(yàn)件S1、S2的工藝路線中，鐓粗和沖孔工序采用1050℃的加熱溫度進(jìn)行，試驗(yàn)件S3鐓粗沖孔工序采用的鍛造加熱溫度為1030℃，試驗(yàn)件S4與試驗(yàn)件S3的加熱溫度相同，只是最終通過(guò)環(huán)軋獲得產(chǎn)品。理化檢測(cè)高溫持久性能如表4所示。

⑴試件S1、S2的高溫持久性能中只有一個(gè)試樣符合標(biāo)準(zhǔn)要求在光滑處斷裂且斷裂時(shí)間≥23h，其他3個(gè)試樣皆在缺口處斷裂，存在著缺口敏感性，而且缺口斷的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)所要求的不小于23h，所以試件S1、S2的高溫持久性能最終判定為不合格。

⑵觀察試件S1、S2的高倍組織（圖3、圖4）。S1晶粒度為4.5～9級(jí)，S2晶粒度為5～10級(jí)，雖然滿足技術(shù)條件的要求，但組織非常不均勻，有細(xì)晶或粗晶集中組織（如試樣12、21為細(xì)晶密集區(qū)域，晶粒細(xì)小均勻，而試樣27以粗晶組織為主，晶粒粗大），又有粗細(xì)晶混合組織（如試樣15、28），并且晶粒度范圍跨度較大（S1晶粒度級(jí)差4.5級(jí)，S2晶粒度級(jí)差5級(jí)），組織不均勻可能是導(dǎo)致高溫持久性能不合格的主要因素之一。試驗(yàn)件S3、S4降低鍛造溫度到1030℃后，高溫持久性能檢測(cè)中試樣的斷裂時(shí)間顯著提高，且均高于標(biāo)準(zhǔn)所要求的≥23h，由高倍組織(圖5、圖6）可知晶粒比試驗(yàn)件S1、S2均勻，但其中的1#試樣仍然在缺口處斷裂，2#試樣在光滑處斷裂。光滑處斷裂的2#試樣，其持久指標(biāo)均大于1#試樣（61h49min與55h23min，70h09min與40h04min）。實(shí)驗(yàn)得出，降低缺口敏感性，使試樣斷裂于光滑處，可以提高合金的持久壽命。

表4 S1～S4試件（R=0.14mm）持久性能指標(biāo)

圖3 試驗(yàn)件S1高倍組織

圖4 試驗(yàn)件S2高倍組織

圖5 試驗(yàn)件S3高倍組織

圖6 試驗(yàn)件S4高倍組織

⑶在降低溫度且采用環(huán)軋方式得到更加均勻細(xì)化的晶粒后，高溫持久檢查仍然有缺口試樣提前斷裂的現(xiàn)象，見(jiàn)試驗(yàn)S4的1#試樣。眾所周知，用光滑拉伸試樣測(cè)定的力學(xué)性能主要表征材料彈性、塑性變形抗力及失效抗力，是工程設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。然而，實(shí)際構(gòu)件中由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的缺口、圓角或外來(lái)?yè)p傷等均會(huì)引起應(yīng)力集中，對(duì)構(gòu)件強(qiáng)度有顯著的影響。應(yīng)力集中使得材料局部的峰值應(yīng)力超出名義應(yīng)力，峰值應(yīng)力由應(yīng)力集中點(diǎn)向外下降得很快，使缺口處形成很大的應(yīng)力梯度。為了正確地評(píng)價(jià)缺口處的疲勞強(qiáng)度，一般用缺口最大峰值應(yīng)力與凈截面平均應(yīng)力的比值作為評(píng)價(jià)缺口應(yīng)力集中程度的大小，即理論應(yīng)力集中系數(shù)Kt。Kt只與試樣或部件的幾何形狀有關(guān)，不受材料和其他因素的影響。Kt值越大，應(yīng)力集中越嚴(yán)重，試樣越易失效。表4的結(jié)果是按照要求加工R=0.14mm(Kt=3.86）的缺口半徑，由于R=0.14mm的缺口半徑加工難度較大，試樣加工質(zhì)量不易測(cè)量和控制，而且考慮到部件的實(shí)際形狀和尺寸，缺口半徑R=0.85mm已足夠評(píng)判部件壽命，因此重新從環(huán)件S3、S4上切取試樣，按照標(biāo)準(zhǔn)中另一驗(yàn)收指標(biāo)制作缺口半徑R=0.85mm(Kt=2.0）的試樣進(jìn)行了持久對(duì)比試驗(yàn)。試樣序號(hào)分別為3#、4#，結(jié)果如表5所示，全部合格，且環(huán)軋件S4的高溫持久性能相較于自由鍛件S3有所提升。可見(jiàn)，缺口試樣的形狀和尺寸，尤其是缺口半徑大小以及缺口的加工質(zhì)量，均對(duì)持久壽命指標(biāo)有顯著影響。

表5 S3、S4試件（R=0.85mm）持久指標(biāo)

由以上分析可知，將鐓粗沖孔溫度降到1030℃及采用環(huán)軋鍛造的方式可以改善GH909合金的高溫持久性能，且1030℃鐓粗、沖孔、擴(kuò)孔，990℃整形，1000～1030℃終成形的工藝參數(shù)可用于GH909合金環(huán)形鍛件的生產(chǎn)，而且隨著缺口半徑的增加，持久壽命提高。

原材料中Si含量對(duì)高溫持久性能的影響

通過(guò)生產(chǎn)P1、P2試驗(yàn)件，研究原材料中Si含量對(duì)鍛件高溫持久性能的影響，高溫持久檢測(cè)結(jié)果如表6所示。

表6 P1、P2試件持久指標(biāo)

試件P1的持久性能指標(biāo)不合格，對(duì)試樣進(jìn)行金相組織檢測(cè)，結(jié)果如圖7所示。GH909合金熱處理后的組織由γ固溶體、γ'相、ε相、ε"相、Laves相、MC型碳化物和G相等組成。其中ε相在晶內(nèi)析出能提高合金的持久性能，在晶界析出可改善合金對(duì)應(yīng)力加速晶界氧化脆性（SAGBO）的抗力，有利于消除合金的缺口敏感性，大幅度提高其缺口持久壽命。而P1組織中ε相含量較少，很少看到沿晶界呈片狀析出。Si元素是ε相的重要組成元素，合金中Si含量的增加，有利于ε相的析出。在提高原材中Si元素的含量后，試件P2的持久性能指標(biāo)合格?？梢?jiàn)，通過(guò)提高原材中Si元素的含量，促進(jìn)了ε相的析出，進(jìn)而改善了高溫持久性能。

圖7 P1、P2組織

熱處理制度對(duì)高溫持久性能的影響

對(duì)P1試驗(yàn)件進(jìn)行過(guò)時(shí)效熱處理，標(biāo)記為P3試驗(yàn)件。研究熱處理制度對(duì)高溫持久性能的影響，高溫持久檢測(cè)結(jié)果如表7所示，金相組織如圖8所示。

由金相組織可知，在改變熱處理制度后，試驗(yàn)件P3中ε相大量析出。GH909合金與GH907合金的化學(xué)成分相似，相組成相同，通過(guò)對(duì)GH907合金的研究可知ε相和ε"相析出溫度范圍700～920℃，析出峰溫度約800℃。GH909合金的時(shí)效熱處理制度為745℃×4h，以55℃/h左右的速度冷卻至620℃，保溫4h，出爐空冷。時(shí)效溫度低，且保溫時(shí)間較短，不利于ε相的大量析出。P3試驗(yàn)件通過(guò)提高時(shí)效溫度至775℃，增加保溫時(shí)間至12h后組織中有大量的ε相析出，大大改善了持久性能指標(biāo)。

表7 P1、P3試件持久指標(biāo)

圖8 P1和P3金相組織

結(jié)論

⑴GH909合金鍛件持久性能不合格的主要原因在于組織不均勻，且組織中ε相含量較少，未成針狀或片狀沿晶界或晶內(nèi)析出，不能有效降低缺口敏感性。

⑵1030℃的鍛造加熱溫度及環(huán)軋的成形方式有利于獲得均勻的組織，進(jìn)而提高GH909合金的持久性能。

⑶提高原材料的Si含量是增加ε相含量、降低缺口敏感性的有效途徑，同時(shí)熱處理制度對(duì)ε相的析出也有重要影響。