緊固件用A286高溫合金AMS標(biāo)準(zhǔn)解讀與應(yīng)用

齊躍，萬志慧，余傳魁，張曉斌，唐偉，林忠亮

航天精工股份有限公司 天津 300300

1 序言

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)度和持久的高溫蠕變強(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(dòng)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(hào)為我國的GH2132、法國的ZbNCT25等。

A286是美國牌號(hào)，常用的材料標(biāo)準(zhǔn)[1-6]主要有AMS 5731—2006等6項(xiàng)，不同的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的材料狀態(tài)、熱處理制度以及性能等級(jí)存在很大的差異，因此在使用時(shí)應(yīng)格外注意。

采用A286生產(chǎn)緊固件種類繁多，其主要產(chǎn)品集中在900MPa級(jí)的螺母、1100MPa級(jí)的HB系列螺栓、1300MPa級(jí)的NAS系列的高強(qiáng)度螺栓以及試驗(yàn)芯棒等。由于A286的沉淀硬化作用與原材料的變形強(qiáng)化程度息息相關(guān)，所以根據(jù)不同產(chǎn)品的性能等級(jí)要求，需要在生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)注意選擇不同標(biāo)準(zhǔn)的原材料。而在實(shí)際生產(chǎn)中，經(jīng)常出現(xiàn)因工藝編制人員以及生產(chǎn)準(zhǔn)備人員對(duì)標(biāo)準(zhǔn)理解不到位，引起產(chǎn)品性能不滿足技術(shù)條件要求而重新投產(chǎn)甚至報(bào)廢的情況。

為避免因?yàn)檫x材不當(dāng)帶來的不必要麻煩和損失，本文主要針對(duì)A286合金的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行解讀，并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用情況，對(duì)A286的選用給出材料專業(yè)方面的建議，希望對(duì)行業(yè)的技術(shù)發(fā)展起到促進(jìn)作用。

2 A286標(biāo)準(zhǔn)概況

目前，常用的A286材料主要形式為棒材或線材，下面將常用的標(biāo)準(zhǔn)概況在表1中進(jìn)行簡要匯總。

表1 進(jìn)口材料A286標(biāo)準(zhǔn)概況

3 各標(biāo)準(zhǔn)推薦的熱處理制度

根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)的要求，形成了對(duì)應(yīng)的熱處理工藝建議制度及其工藝，詳見表2。

表2 各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的熱處理制度及工藝

4 性能等級(jí)差異性分析

不同的材料標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)材料的性能等級(jí)規(guī)定不同，常用的等級(jí)有900MPa級(jí)、1100MPa級(jí)和1300MPa級(jí)，對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求在表3中列舉。

表3 A286熱處理后的力學(xué)性能

性能等級(jí)的差異，主要取決于材料在制備時(shí)選擇的拉拔工藝。不同性能等級(jí)的材料，對(duì)應(yīng)不同的拉拔量，即變形量。變形量越大，在材料中形成的孿晶數(shù)量越多。

研究表明[7]，A286為鐵基時(shí)效強(qiáng)化型高溫合金，合金經(jīng)過熱軋+固溶后，各種強(qiáng)化相和析出相都回溶到γ奧氏體基體中，表現(xiàn)出低強(qiáng)度高塑性。經(jīng)過時(shí)效后，合金力學(xué)性能發(fā)生顯著變化，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度迅速增加，伸長率、斷面收縮率迅速降低。這主要是因?yàn)楹辖鹪跁r(shí)效過程中，固溶于過飽和固溶體中的元素在γ基體上彌散均勻析出Ni3（Ti，Al） 型γ'相以及TiN或TiC等析出相，這些析出相在基體中阻礙位錯(cuò)移動(dòng)，起到了良好的強(qiáng)化作用，合金時(shí)效后，強(qiáng)度得到迅速提高。隨著時(shí)效時(shí)間的延長，合金組織形成不同數(shù)量的孿晶，使得合金在時(shí)效過程中抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度先增加再降低，伸長率與斷面收縮率略有變化。孿晶數(shù)量越多，合金強(qiáng)度越高，這主要是因?yàn)閷\晶阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而起到強(qiáng)化作用，所以孿晶越細(xì)越多，其切割晶體的作用越顯著，金屬基體的強(qiáng)化程度也越高。由以上分析可以得出，合金在時(shí)效前期，沉淀硬化起主要作用；時(shí)效后期，沉淀硬化與孿晶共同作用起到強(qiáng)化作用。

變形孿晶界形成于合金的變形過程中，雖然在某些層錯(cuò)能低的合金中，可以通過變形獲得含量很高的變形孿晶界，但由于其形成于變形過程中，合金中存在較大的應(yīng)變和應(yīng)力，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，而合金通常是熱處理后（應(yīng)力較低）才能應(yīng)用。另外，變形孿晶界之間間距細(xì)小，易在熱處理過程中因回復(fù)或再結(jié)晶而湮滅。也就是說，由于合金的變形組織降低了變形孿晶界的穩(wěn)定性，導(dǎo)致其含量難以控制，所以變形孿晶界在未解決其穩(wěn)定性之前難以得到有效的應(yīng)用。

由以上分析可以推斷，不同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的服役條件不同的原因，即對(duì)于變形量較大的A286高溫合金而言，使用溫度相對(duì)變形量小的A286高溫合金略低，表1中的服役條件給出了很好的解釋。

5 不同標(biāo)準(zhǔn)材料應(yīng)用舉例及生產(chǎn)使用建議

5.1 性能等級(jí)的區(qū)分

1）當(dāng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中的性能等級(jí)要求為900MPa級(jí)時(shí)，可以選擇AMS 5731—2006、AMS 5732—2006、AMS 5734—2006以及AMS 5737—2006四種標(biāo)準(zhǔn)的原材料。

2）當(dāng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中的性能等級(jí)要求為1100MPa級(jí)時(shí)，可以選擇AMS 5853—2006標(biāo)準(zhǔn)的原材料。

3）當(dāng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中的性能等級(jí)要求為1300MPa級(jí)時(shí)，可以選擇AMS 5726—2006標(biāo)準(zhǔn)的原材料。

5.2 同種性能等級(jí)狀態(tài)的區(qū)分

1）當(dāng)產(chǎn)品選擇固溶狀態(tài)的材料標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，在產(chǎn)品加工作業(yè)指導(dǎo)書編制時(shí)，需要熱處理時(shí)效工序。

2）當(dāng)產(chǎn)品選擇固溶時(shí)效狀態(tài)的材料標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，在產(chǎn)品的機(jī)加工作業(yè)指導(dǎo)書編制時(shí)，不需要熱處理時(shí)效工序。

5.3 使用實(shí)例

典型案例1：某型號(hào)抗剪型高鎖螺母產(chǎn)品，屬于純機(jī)加工產(chǎn)品，應(yīng)該優(yōu)先選擇AMS 5732—2006固溶時(shí)效狀態(tài)材料。但在實(shí)際的工藝編制中，如果選擇了AMS 5731—2006標(biāo)準(zhǔn)，則對(duì)應(yīng)的原材料為固溶態(tài)，這時(shí)就需要再對(duì)產(chǎn)品增加一道時(shí)效工序，這是完全沒有必要的。

典型案例2：某型號(hào)開槽螺栓產(chǎn)品，由于性能等級(jí)要求Rm≥1100MPa，因此只能選擇AMS 5853—2006和AMS 5726—2006，選擇其他標(biāo)準(zhǔn)的材料則無法滿足性能等級(jí)要求。如果產(chǎn)品技術(shù)條件要求強(qiáng)度或者硬度上限為1200MPa時(shí)，則不能選擇AMS 5726—2006標(biāo)準(zhǔn)的原材料。

5.4 選擇建議

在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝編制以及生產(chǎn)備料時(shí)，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品所需要達(dá)到的性能等級(jí)進(jìn)行不同標(biāo)準(zhǔn)A286材料的選擇，詳見表4。

表4 A286材料選用建議