高溫合金材料GH4099熱處理工藝試驗探究

曾曉波 肖婷婷 曾令軍

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1 引言

航空、航天用高溫合金材料是發(fā)動機(jī)熱端部件的主要材料和關(guān)鍵材料，要求在具有高的高溫強(qiáng)度、良好的抗氧化和抗腐蝕性能的同時，要有良好的抗疲勞性能、高的組織穩(wěn)定性和可靠性。因此，高溫合金材料的水平對我國航空、航天工業(yè)的發(fā)展有至關(guān)重要的作用。高溫合金材料的性能與其組織有密切的關(guān)系，而高溫合金的組織是可通過熱處理來調(diào)整的。通過探索合理的熱處理制度、優(yōu)化熱處理關(guān)鍵參數(shù)、設(shè)計或改進(jìn)熱處理關(guān)鍵裝備，對合金高溫性能的提高有著積極的意義。

GH4099材料具有的良好性能使其在航空、航天具有良好的應(yīng)用前景。但在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中僅對高溫合金的冷軋板材的進(jìn)行了規(guī)范。從目前現(xiàn)有公開技術(shù)資料來看，GH4099材料還缺乏有效的熱處理制度研究和記載，熱處理后材料的整體性能指標(biāo)還幾乎沒有進(jìn)行公開。同時，在保持材料強(qiáng)度性能足夠的前提下，增加其900℃下持久時間是滿足越來越高的航空、航天性能要求的重要方向和目標(biāo)。

2 高溫合金材料概述

高溫合金一般采用電弧爐或非真空感應(yīng)爐冶煉、真空感應(yīng)爐冶煉，但為了進(jìn)一步降低夾雜物的含量，改善夾雜物的分布狀態(tài)和鑄錠的結(jié)晶組織，一般采用冶煉+二次重熔的工藝，冶煉后可采用鍛造開坯、熱軋、冷軋或冷拔成材，或快鍛液壓機(jī)鍛造成材。高溫合金的性能與其組織有密切關(guān)系，高溫合金的組織，如合金的晶粒大小，碳化物形態(tài)和分布，金屬間化合物(r')的大小和分布等可通過熱處理工藝來控制。高溫合金的熱處理一般由固溶處理，中間處理和時效處理組成。

GH4099高溫合金采用真空感應(yīng)爐冶煉+真空自耗爐或電渣重熔冶煉方法生產(chǎn)，是一種以第二相γˊ相[Ni3(Al，Ti)]為主要強(qiáng)化手段的時效強(qiáng)化型高溫合金。GH4099以Ni、Cr為基，以W、Mo、Co進(jìn)行固溶強(qiáng)化，以Al、Ti進(jìn)行時效強(qiáng)化，以B、Ce進(jìn)行晶間強(qiáng)化，是一種高熱強(qiáng)性的彌散強(qiáng)化材料，其具有復(fù)雜的相組成，除基體γ相外，主要有γˊ、Ti(CN)型氮化物和長期時效后出現(xiàn)的σ相和μ相。研究發(fā)現(xiàn)，合金的強(qiáng)度更依賴于原子擴(kuò)散能力，能提高原子間結(jié)合力、降低擴(kuò)散系數(shù)，提高再結(jié)晶溫度及阻止擴(kuò)散型形變的元素，能更好的提高合金的高溫性能。

3 熱處理工藝方案的制定

本研究首先通過對固溶、時效的關(guān)鍵工藝參數(shù)(如固溶溫度、固溶時間，以及時效溫度和時效時間等)進(jìn)行系統(tǒng)研究，重點(diǎn)分析固溶處理、中間處理、時效處理等熱處理工藝對高溫合金材料中碳化物和r'等強(qiáng)化相的數(shù)量、形態(tài)和分布、合金晶粒度、晶界形態(tài)結(jié)構(gòu)、應(yīng)力消除、高溫抗蠕變性能等的影響，摸索出GH4099高溫合金中相析出和溶解規(guī)律及組織與工藝、性能間的相互關(guān)系。然后，通過研究熱處理溫度與時間控制曲線的準(zhǔn)確性與熱處理裝備設(shè)計及高溫合金材料力學(xué)性能的相互關(guān)系，對現(xiàn)有熱處理設(shè)備進(jìn)行改造升級，優(yōu)化在線熱處理、冷卻工藝，提高熱處理溫度與時間控制曲線的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)窄溫區(qū)精準(zhǔn)控制材料晶粒度。最后結(jié)合材料成分、冶煉工藝及新一代熱機(jī)械控制工藝(TMCP)特點(diǎn)，完成關(guān)鍵工藝控制點(diǎn)的設(shè)計和優(yōu)化，探索出工藝可行、質(zhì)量達(dá)標(biāo)穩(wěn)定、成本可控的熱處理制度。

4 材料性能與結(jié)果分析

通過對不同熱處理制度下獲得的材料的金相組織與性能檢測，獲得了固熔溫度、固熔時間，時效機(jī)制、時效溫度及時效時間等關(guān)鍵參數(shù)與合金組織及材料性能之間的關(guān)系曲線，并針對不同強(qiáng)度級別和使用要求，優(yōu)化設(shè)計出一系列熱處理工藝制度。

結(jié)合公司現(xiàn)有的熱處理裝備水平，對其熱處理設(shè)備進(jìn)行了升級改造，提高了熱處理溫度與時間控制曲線的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了軟件控制溫度與時間曲線，窄溫區(qū)精準(zhǔn)控制材料晶粒度，材料熱處理高溫爐實(shí)現(xiàn)平滑驅(qū)動，熱處理爐能耗降低7%以上，所得材料性能更穩(wěn)定，消除材料毛坯的裂紋，材料合格率達(dá)到99%以上，機(jī)械智能加工成本降低8%以上。

通過上述研究和技術(shù)改進(jìn)措施，試產(chǎn)出具有良好耐高溫、抗疲勞、抗輻射、抗氧化、抗腐蝕性能的航空、航天用GH4099高溫合金材料，經(jīng)熱處理后的GH4099高溫合金材料應(yīng)當(dāng)滿足抗拉強(qiáng)度σb≥1030MPa；屈服強(qiáng)度σ0.2≥665MPa；伸長率δ5≥25%；斷面收縮率ψ≥30%；持久溫度t=900℃；應(yīng)力σ≥98MPa；持久時間t≥50h，相比現(xiàn)有水平能極大提升材料的耐久性，所得材料具有足夠的高溫強(qiáng)度、良好的抗氧化和抗腐蝕性能、良好的抗疲勞性能、高的組織穩(wěn)定性和可靠性，能夠滿足航空、航天的強(qiáng)度要求和使用要求。

5 結(jié)語

本文通過探索合理的熱處理制度、優(yōu)化熱處理關(guān)鍵參數(shù)、設(shè)計和改進(jìn)熱處理關(guān)鍵裝備，摸索出GH4099高溫合金組織及其最終性能與熱處理關(guān)鍵工藝參數(shù)之間的關(guān)系，制定出工藝可行、質(zhì)量達(dá)標(biāo)穩(wěn)定、成本可控的熱處理制度，獲得了可用于航空、航天發(fā)動機(jī)熱端部件(如航空發(fā)動機(jī)用渦輪盤、機(jī)匣、葉片，緊固件、燃?xì)鈱?dǎo)管、燃燒室、擴(kuò)散器等)的高溫合材料，實(shí)現(xiàn)了航空、航天零部件關(guān)鍵材料的國產(chǎn)化替代進(jìn)口，對于帶動新材料、裝備制造等相關(guān)產(chǎn)業(yè)和企業(yè)的發(fā)展具有一定的積極意義。

本研究得到四川省科技計劃項目專項資金重點(diǎn)研發(fā)項目“航空、航天用高溫合金材料熱處理關(guān)鍵技術(shù)研究”(立項編號：2020YFG0267)經(jīng)費(fèi)支持。