GH4096 合金固溶冷卻方式對性能和殘余應(yīng)力的影響

白云瑞, 付 銳, 李祚軍, 李福林, 孟令超, 畢中南

（1.中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院, 成都 610500；2.中國鋼研北京鋼研高納科技股份有限公司, 北京 100081）

GH4096 合金是基于粉末冶金FGH4096 合金的成分，采用我國原始創(chuàng)新的定向凝固鑄錠變形工藝研發(fā)的先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)用盤件合金[1-4]，主要性能與粉末冶金FGH96 合金相當(dāng)，最高使用溫度可達(dá)到750 ℃。由于采用了新型定向凝固鑄錠變形工藝，從根本上避免了大尺寸夾雜物帶來的使用風(fēng)險，且生產(chǎn)成本降低40%左右，具有良好的應(yīng)用前景。

為了防止GH4096 合金固溶熱處理后冷卻過程中析出的γ′相粗化，降低強(qiáng)度水平，固溶處理后通常采用較快的速率冷卻，目前常用的冷卻方式是油淬冷卻。然而油淬冷卻的GH4096 合金鍛件時效處理后在制備薄壁類零件時容易出現(xiàn)冷加工變形問題，導(dǎo)致零件尺寸公差難以保證。鍛件中存在較大的殘余應(yīng)力是造成冷加工變形的重要因素，因此，只有鍛件的內(nèi)部殘余應(yīng)力降低到一定水平，才能從根本上解決零件加工變形問題[5-7]。

殘余應(yīng)力本質(zhì)上是殘留在材料內(nèi)部的晶格畸變[8]，研究表明，影響高溫合金鍛件中殘余應(yīng)力的最主要工序是固溶處理后的快速冷卻過程，淬火應(yīng)力形成的本質(zhì)原因是鍛件不同區(qū)域之間的體積差異，這既包括因溫度不同引起的熱膨脹差，也包括相變引起的體積變化[9]。在體積差異形成的應(yīng)力作用下，合金在較高溫度下以黏塑性方式變形，而在較低溫度下表現(xiàn)出彈塑性變形行為。鍛件內(nèi)部不同步且不均勻的塑性變形會在其完全冷卻至室溫后形成殘余應(yīng)力。

由于不同冷卻介質(zhì)與高溫合金鍛件表面之間有不同的換熱系數(shù)，會影響固溶處理后鍛件冷卻過程的溫度梯度和冷卻速率，從而決定鍛件內(nèi)部殘余應(yīng)力的大小和析出相的尺寸與分布。張家峰等[10]研究FGH96 合金空冷、風(fēng)冷和油冷過程的換熱系數(shù)，空冷和風(fēng)冷時表面溫度越高換熱系數(shù)越大，空冷的換熱系數(shù)最大為160 W·m-2·K-1，風(fēng)冷狀態(tài)下的換熱系數(shù)與風(fēng)速有關(guān)，風(fēng)速越大換熱系數(shù)越大，而油冷時由于表面溫度過高時金屬表面會形成一層氣膜降低換熱系數(shù)，因此當(dāng)金屬表面溫度為600 ℃左右時換熱系數(shù)最大達(dá)到1600 W·m-2·K-1。吳劍濤等[11]研究540 ℃鹽浴冷卻時FGH95 合金的換熱系數(shù)，由于熔融鹽的沸點較高，在熱處理過程中熔鹽與金屬之間不會形成氣膜，熱處理金屬的表面溫度越高換熱系數(shù)越大，最大可達(dá)500 W·m-2·K-1左右。

本工作研究了空冷、風(fēng)冷、油冷和鹽浴冷卻四種固溶冷卻方式對GH4096 合金環(huán)件主要力學(xué)性能和殘余應(yīng)力的影響。

1 實驗材料與方法

GH4096 合金的化學(xué)成分見表1。采用自主創(chuàng)新的電渣重熔連續(xù)定向凝固+3D 整體鍛造制坯+等溫模鍛成形+機(jī)加工制備實驗用環(huán)形鍛件，尺寸為?630 mm/?500 mm×40 mm，環(huán)件截面圖見圖1。環(huán)件固溶溫度為1080 ℃，冷卻方式分別為空冷，風(fēng)冷，油冷和鹽浴冷卻，其中風(fēng)冷采用轉(zhuǎn)速為1600 r/min的風(fēng)機(jī)吹風(fēng)，風(fēng)速約10 m/s，油冷采用H3 號淬火油，油溫40 ℃左右，鹽浴采用540 ℃的BaCl2熔鹽，時效制度為760 ℃×4 h 空冷。熱處理后在環(huán)件截面的中心位置和外側(cè)邊緣切取金相試樣，試樣經(jīng)研磨、拋光、腐蝕后采用圖像分析儀檢測晶粒組織，用場發(fā)射掃描電鏡觀察二次、三次γ′相的形貌，用圖像分析軟件統(tǒng)計二次、三次γ′相的平均尺寸，在環(huán)件截面中心位置切取試樣測試?yán)旌腿渥冃阅堋?/p>

表1 GH4096 合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 1 Chemical composition of GH4096 alloy（mass fraction/%）

圖1 實驗用環(huán)件截面圖Fig. 1 Section of ring used in experiment

實驗用環(huán)件采用輪廓法測試殘余應(yīng)力。輪廓法是近幾年發(fā)展起來的一種通過破壞法來測量試件整個截面上殘余應(yīng)力的方法[12-13]。該方法的原理是構(gòu)件沿需要研究和評估應(yīng)力的平面完整切開成為兩半，切割面上的殘余應(yīng)力全部釋放，由于應(yīng)力釋放，切割面輪廓發(fā)生變形，假設(shè)切割面的變形輪廓是由殘余應(yīng)力彈性釋放造成的，且切割過程不會產(chǎn)生額外的附加應(yīng)力，如果施加外力將變形后的切割曲面恢復(fù)到切割前的平面狀態(tài)，所得到的應(yīng)力狀態(tài)就等于切割前該平面上的原始?xì)堄鄳?yīng)力，因此可以利用切割面上的變形輪廓得到原始內(nèi)部殘余應(yīng)力分布。該方法對于軸對稱的盤環(huán)形鍛件尤為適用。

本研究中，測試對象為GH4096 合金環(huán)形件，將試件在約束狀態(tài)下采用慢走絲線切割方法沿環(huán)件對稱面將其剖開。切割絲為直徑0.2 mm 的鉬絲，為保證線切割時不引入附加應(yīng)力，切割速率設(shè)定為0.2 mm/min。環(huán)件切割成兩半后，采用三坐標(biāo)測量儀測量切割面的輪廓。以切割后試件的尺寸建立有限元模型，將切割面輪廓作為有限元的邊界條件，采用Deform 軟件計算得到切割面的殘余應(yīng)力分布。

2 結(jié)果與分析

2.1 微觀組織

圖2 為不同冷卻方式試件中心位置的晶粒組織，各試樣的晶粒均為等軸晶，晶粒尺寸約12 μm，晶界上分布著顆粒狀的一次γ′相，尺寸約3 μm，GH4096 合金采用亞固溶熱處理工藝，由一次γ′相控制晶粒度，因此，固溶熱處理后的冷卻方式對晶粒尺寸沒有影響。

GH4096 合金析出相有一次γ′相，二次γ′相，三次γ′相及碳化物、硼化物等相，固溶冷卻方式會影響GH4096 合金二次和三次γ′相的數(shù)量、尺寸和形貌。圖3 為不同固溶冷卻方式GH4096 合金環(huán)件中心位置和外側(cè)邊緣位置的二次、三次γ′相的尺寸和形貌，其中大顆粒的析出相為二次γ′相，小顆粒的析出相為三次γ′相。試件在冷卻過程中隨著溫度的降低，二次γ′相開始形核并長大，冷卻速率越大，二次γ′相形核的過冷度越大，形核數(shù)量越多，尺寸越小。三次γ′相主要在時效過程中形核并長大。從圖2 中可以看出風(fēng)冷試樣中心和邊緣的二次γ′相平均尺寸差別較小，心部約為100 nm，邊緣為90 nm，油冷和鹽浴冷卻試樣中心的二次γ′相尺寸相當(dāng)，約70 nm，鹽浴冷卻試件邊緣的二次γ′相略小，約50 nm，油冷表面的二次γ′相約為70 nm，三種冷卻方式的三次γ′相的尺寸相近，約為10 nm?？绽洵h(huán)件中心位置的二次γ′相有兩種，一是在較高溫度下形核并逐漸長大，尺寸約200 nm，另一種在較低溫度下形核并長大，平均尺寸約為40 nm，三次γ′相的尺寸較其他冷卻方式試樣略大，試件邊緣位置的二次γ′相的平均尺寸約為110 nm，三次γ′相約10 nm。由于固溶冷卻過程的冷卻速率對二次、三次γ′相有明顯的影響，冷卻速率快會抑制二次、三次γ′相的長大。根據(jù)不同固溶冷卻方式GH4096合金二次、三次γ′相的尺寸可以得出，風(fēng)冷冷卻速率低于油冷和鹽浴冷卻的冷卻速率，而空冷的環(huán)件冷卻速率更低，導(dǎo)致析出的γ′相尺寸較大。

圖2 不同固溶冷卻方式GH4096 合金試樣的晶粒組織 （a）空冷；（b）風(fēng)冷；（c）油冷；（d）鹽浴Fig. 2 Grain microstructure of GH4096 samples with different cooling method (a) air cooling (AC)； (b) wind cooling (WC)；(c) oil cooling (OC)； (d) salt bath cooling (SC)

圖3 不同固溶冷卻方式和位置γ′相的形貌 （a）空冷；（b）風(fēng)冷；（c）油冷；（d）鹽??；（1）中心；（2）邊緣Fig. 3 The γ′ phase morphologies of GH4096 samples by different solution cooling methods and location （a）air cooling (AC)；（b）wind cooling (WC)； （c）oil cooling (OC)； （d）salt bath cooling (SC)；（1）center ；（2）edge

析出相的尺寸與試件固溶處理后的冷卻速率直接有關(guān)，而冷卻速率由試件表面和冷卻介質(zhì)間的換熱系數(shù)決定。由于GH4096 合金γ′析出相與γ 基體相是共格結(jié)構(gòu)，析出速率非?？?，冷卻速率越快，過冷度越大，γ′相形核數(shù)量越多，密度越大，尺寸越小。經(jīng)過計算，試件表面溫度降到1000 ℃左右時，空冷的平均熱交換系數(shù)為160 W·m-2·K-1，風(fēng)冷的熱交換系數(shù)約為300 W·m-2·K-1，油冷的熱交換系數(shù)約為400 W·m-2·K-1，鹽浴冷卻的熱交換系數(shù)約為500 W·m-2·K-1，隨著試件表面溫度的降低，油冷的熱交換系數(shù)快速提高，當(dāng)試件表面溫度為600℃左右時達(dá)到最大值，約1600 W·m-2·K-1，而后又快速降低，空冷和風(fēng)冷的熱交換系數(shù)幾乎呈線性降低至200 ℃以下，而鹽浴處理時，由于熔鹽的溫度為540 ℃左右，熱交換系數(shù)隨著試件溫度的下降而迅速降低?？梢姡珿H4096 合金高溫區(qū)的冷卻速率對γ′相的析出影響較大。油冷、風(fēng)冷和鹽浴處理的試件由于表面熱交換系數(shù)較大，整體冷卻速率較快，試樣邊緣和心部的γ′相形貌略有差別，而空冷試樣的邊緣和心部的γ′析出相尺寸和數(shù)量差別較大。

根據(jù) Feng 等[14]研究得到的FGH96 合金冷卻速率和二次γ′相尺寸之間的函數(shù)關(guān)系，計算得到了不同冷卻方式環(huán)件中心和外側(cè)邊緣的冷卻速率，見圖4。由圖4 可見，試件冷卻速率發(fā)生較大幅度的變化才會對二次γ′相的尺寸產(chǎn)生明顯的影響。

圖4 不同冷卻方式實驗件中心和邊緣的冷卻速率Fig. 4 Cooling rates at center and edge of samples by different solution cooling methods

2.2 力學(xué)性能

由于實驗用環(huán)件采用相同的鍛造工藝和固溶加熱溫度，時效處理制度也相同，因此晶粒度和鍛造過程形成的一次γ′相、碳化物、硼化物等相的尺寸和分布相當(dāng)，固溶冷卻方式會引起冷卻速率的差異從而影響二次、三次γ′相尺寸和數(shù)量的差異，進(jìn)而影響GH4096 合金的力學(xué)性能。圖5 列出了不同固溶冷卻方式GH4096 合金試件中心位置的蠕變性能。從圖5 可以看出，蠕變性能與二次γ′相的尺寸有明顯的對應(yīng)關(guān)系，試樣固溶冷卻速率越快，二次γ′相尺寸越小，蠕變性能越好。

圖5 不同固溶冷卻方式GH4096 合金環(huán)件700 ℃/690 MPa 條件下的蠕變性能Fig. 5 Creep properties of GH4096 alloy rings by different solution cooling methods at 700 ℃/690 MPa

圖6 列出了不同固溶冷卻方式GH4096 合金試件中心位置400 ℃和650 ℃的拉伸性能，從結(jié)果可以看出，冷卻速率對拉伸性能的影響較小，隨著冷卻速率的加大，拉伸性能有小幅提高。另外，冷卻速率對拉伸塑性沒有明顯的影響，不同冷卻方式400 ℃和650 ℃的伸長率均超過15%。

圖6 不同冷卻方式實驗件中心位置試樣的拉伸性能Fig. 6 Tensile properties of GH4096 alloy rings by oil cooling (OC), air cooling (AC), wind cooling (WC) and salt bath cooling(SC)

2.3 殘余應(yīng)力分布

圖7 為采用輪廓法計算的不同固溶冷卻方式鍛件內(nèi)部殘余應(yīng)力的分布情況， 鹽浴冷卻產(chǎn)生的殘余應(yīng)力量級最大，冷卻后環(huán)件心部最大殘余拉應(yīng)力是260 MPa，表面最大殘余壓應(yīng)力-430 MPa；油冷工件中形成了±200 MPa 的殘余應(yīng)力；空冷環(huán)件中心位置最大拉應(yīng)力是200 MPa，最大壓應(yīng)力-386 MPa在工件表層；風(fēng)冷環(huán)件表面殘余壓應(yīng)力小于-100 MPa，內(nèi)部拉應(yīng)力小于66 MPa。

圖7 不同固溶冷卻方式環(huán)件的殘余應(yīng)力分布 （a）空冷；（b）風(fēng)冷；（c）油冷；（d）鹽浴Fig. 7 Internal residual stress of rings by different solution cooling methods (a) air cooling (AC)； (b) wind cooling (WC)； (c) oil cooling (OC)；(d) salt bath cooling (SC)

試件固溶冷卻過程中截面上較大的溫度梯度是造成內(nèi)部殘余應(yīng)力重要因素，試件表面和心部冷卻速率差異越大，內(nèi)部的殘余應(yīng)力越大，空冷、油冷和鹽浴冷卻過程環(huán)件截面心部和表面冷卻速率差異較大，形成了較大的殘余應(yīng)力，風(fēng)冷適當(dāng)降低了環(huán)件的冷卻速率，提高了冷卻的均勻性，因此環(huán)件內(nèi)部殘余應(yīng)力較低。另外空冷試件的冷卻速率較低，試件心部有足夠時間析出γ′相，造成表面和心部γ′相的數(shù)量和尺寸差別較大，由于γ′相的析出會導(dǎo)致體積收縮[5]，同樣會引起殘余應(yīng)力增加，因此，空冷試件的內(nèi)部殘余應(yīng)力較大。

3 結(jié) 論

（1）GH4096 合金固溶冷卻方式的不同直接影響冷卻速率的均勻性，冷卻速率的不同造成了二次和三次γ′相尺寸和分布的差異，這種差異對蠕變性能的影響較為明顯，對拉伸性能影響不大。

（2）GH4096 合金環(huán)件截面上不同位置的冷卻速率差異和γ′相析出引起的體積變化是造成內(nèi)部殘余應(yīng)力的重要因素，試件采用風(fēng)冷對力學(xué)性能的影響不大，同時將環(huán)件的內(nèi)部殘余應(yīng)力控制在±100 MPa 以內(nèi)，有利于改善薄壁零件的冷加工變形行為。

（3）GH4096 合金鍛件需要根據(jù)性能要求和零件加工過程尺寸精度控制的難易程度選擇固溶冷卻方式，由于空冷鍛件邊緣和中心的析出相尺寸相差較大會導(dǎo)致性能均勻性較差，且拉伸性能和蠕變性能有較大幅度的降低，因此一般不選擇空冷；鹽浴冷卻鍛件的殘余應(yīng)力最大且在性能上與油冷鍛件相當(dāng)，也不選擇；油冷和風(fēng)冷的鍛件拉伸性能相當(dāng)，蠕變性能略有差別，而殘余應(yīng)力差別較大，可綜合考慮零件的蠕變性能要求和加工過程的尺寸精度控制要求進(jìn)行選擇，對于尺寸精度控制較為困難的薄壁件，建議選擇風(fēng)冷，而對于蠕變性能要求較高且零件加工過程尺寸精度容易控制的剛性件，建議選擇油冷。