排氣閥Pyromet31V 合金混晶組織研究

郭秋娟,李相偉,溫冬輝,王瑤,樊卓志,張書(shū)彥,張鵬

（東莞材料基因高等理工研究院, 廣東省熱交換裝置先進(jìn)連接工程技術(shù)研究中心，廣東 東莞 523808）

氣閥是發(fā)動(dòng)機(jī)中用于輸入燃料并排出廢氣的裝置，通常分為進(jìn)氣閥和排氣閥，在發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮和做功的過(guò)程中，進(jìn)氣閥和排氣閥起到了密封燃燒室的作用，因此承受著高溫高壓及氣體的腐蝕。具體而言，排氣閥的盤(pán)端面最高服役溫度可達(dá)820 ℃，運(yùn)行過(guò)程中承受著高頻率的循環(huán)沖擊載荷，同時(shí)還受到高溫氧、硫等腐蝕介質(zhì)的侵蝕，因此要求氣閥材料具有優(yōu)異高溫強(qiáng)度、硬度、蠕變斷裂強(qiáng)度和熱疲勞強(qiáng)度等力學(xué)性能，同時(shí)還應(yīng)具備一定的抗高溫氧化和耐熱腐蝕性能等［1-5］。

基于氣閥的性能要求，氣閥材料通常采用耐熱合金，我國(guó)的氣閥材料通常使用21-4N、21-12N 及23-8N 等新型奧氏體耐熱鋼［6］，但是該類型鋼的抗磨損能力較差，同時(shí)隨著排放法規(guī)的升級(jí)，氣閥承受的溫度也不斷提高，最高可達(dá)到1050 ℃左右，因此Nimonic80A、Inconel751 和Pyromet31V 鎳基高溫合金被用來(lái)制造氣閥材料［7-11］。Pyromet31V 合金具有更加優(yōu)異的抗硫化物腐蝕性能，同時(shí)由于Mo 的加入使得合金的抗熱疲勞性能得到進(jìn)一步提升，且經(jīng)過(guò)析出強(qiáng)化處理后氣閥錐面的耐磨性能也進(jìn)一步強(qiáng)化，因此國(guó)外更加傾向于使用Pyromet31V 合金來(lái)制造氣閥［12］。

氣閥制造工藝順序通常為［13-14］：檢測(cè)來(lái)料—切割棒料—倒角兩端—電鐓沖壓—模鍛—固溶處理—冷鐓壓—一級(jí)時(shí)效處理—二級(jí)時(shí)效處理。前期研究發(fā)現(xiàn)，在Nimonic80A 和Pyromet31 合金制造過(guò)程中氣閥頭部位置容易出現(xiàn)較為嚴(yán)重的混晶組織區(qū)域，混晶組織惡化材料的高溫蠕變性能［15-18］，尤其是Pyromet31V 合金中混晶組織形成的原因并不清楚。因此，以Pyromet31V 氣閥材料為研究對(duì)象，通過(guò)光學(xué)顯微鏡（OM）和掃描電子顯微鏡（SEM）表征Pyromet31V 合金中不同區(qū)域的晶粒組織形貌，研究混晶組織的形成原因，為該氣閥材料的生產(chǎn)制備工藝供理論和科學(xué)指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)用合金為Pyromet31V 高溫合金，成分列于表1。此合金經(jīng)過(guò)電鐓沖壓、模鍛工藝處理后，觀察排氣閥不同區(qū)域內(nèi)部的晶粒組織形貌。排氣閥的整體外觀形貌如圖1 所示。從圖1 可見(jiàn)，左側(cè)圓盤(pán)為氣閥頭部位置，右側(cè)為氣閥桿部位置，為了觀察氣閥頭部和桿部不同區(qū)域的組織，沿軸向（如虛線所示方向）對(duì)氣閥進(jìn)行解剖。

表1 Pyromet31V 合金名義成分Table 1 Nominal Composition of Pyromet31V alloy

圖1 氣閥的整體外觀形貌圖Figure 1 Entire morphology of valve

采用Axio Scope5 金相顯微鏡進(jìn)行低倍光學(xué)（OM）組織觀察，利用帶有EDS 探頭的Zeiss Sigma500 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行高倍組織觀察及析出相成分分析。其中采用CuSO4（4 g）+HCl（10 mL）+H2O（20 mL）溶液作為侵蝕劑，觀察晶粒組織和晶界碳化物形貌；采用體積分?jǐn)?shù)10%的磷酸溶液進(jìn)行電解腐蝕，觀察γ?相微觀組織形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 頭部宏觀與微觀組織

圖2 為排氣閥樣品的宏觀晶粒組織形貌。從圖2 可見(jiàn)，排氣閥樣品的氣閥頭部包含A、B 和C 三個(gè)區(qū)域，其中B 區(qū)域表現(xiàn)出明顯的流線型組織，而中心區(qū)域A 和邊緣區(qū)域C 則沒(méi)有流線組織存在。

圖2 氣門(mén)頭部位置宏觀形貌Figure 2 The Macroscopic appearance of valve head

進(jìn)一步采用金相顯微鏡，對(duì)氣閥頭部A、B、C 三個(gè)區(qū)域的微觀形貌（圖3）、平均晶粒尺寸（表2）及晶粒分布情況（圖4）進(jìn)行觀察和分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：氣閥試樣A 區(qū)域?yàn)榧?xì)晶區(qū)，晶粒尺寸分布較為均勻，平均晶粒尺寸為20±8 μm；B 區(qū)域?yàn)槊黠@的混晶組織區(qū)，粒徑分布曲線明顯偏離正態(tài)分布，樣品中92%晶粒的尺寸在80 μm 以下，8%晶粒的尺寸大于100 μm；樣品中晶粒的平均尺寸為40 μm。

圖3 氣閥頭部位置不同區(qū)域的OM 微觀組織形貌圖Figure 3 OM morphologies of different regions in valve head

圖4 氣閥頭部位置不同區(qū)域晶粒尺寸分布統(tǒng)計(jì)圖Figure 4 Statistics of grain size in valve head with different areas

表2 氣閥頭部位置不同區(qū)域的平均晶粒尺寸Table 2 The average grain size of different areas in valve head

2.1.2 頭部析出相

圖5 為氣閥頭部A、B、C 三個(gè)區(qū)域內(nèi)晶界碳化物形貌。從圖5 可見(jiàn)，樣品中存在大量的晶界碳化物。由EDS 結(jié)果可以確認(rèn)，以上碳化物均為M23C6。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)：樣品中晶界碳化物呈現(xiàn)彌散狀分布，但A 區(qū)域晶界碳化物數(shù)量明顯少于B 區(qū)域和C區(qū)域，而在A 區(qū)域三叉晶界附近存在較大晶界碳化物，尺寸可達(dá)0.8 μm.

圖5 氣閥頭部位置不同區(qū)域碳化物的SEM 微觀組織形貌圖Figure 5 The carbides morphologies in valve head with different areas

圖6 為氣閥頭部A，B，C 三個(gè)區(qū)域內(nèi)晶界γ?相SEM 形貌。從圖6 可見(jiàn)：樣品中三個(gè)不同區(qū)域內(nèi)的γ?相尺寸及形貌相當(dāng)，都是均勻的分布在γ基體中，晶粒內(nèi)的γ?尺寸為60—70 nm，而晶界處的γ?尺寸稍大，可達(dá)100 nm；同時(shí)，在晶界上依然可以觀察到尺寸約為0.5 μm 的析出相。結(jié)合圖5 中M23C6的分布情況和尺寸，可知該析出相也是M23C6。

圖6 氣閥頭部位置不同區(qū)域γ ?相的SEM微觀組織形貌圖Figure 6 The γ?-phase morphologies in the valve head with different areas

2.1.3 桿部宏觀與微觀組織

為了探究氣閥頭部混晶組織是由原始組織造成的，還是后續(xù)電鐓或模鍛工藝不合適造成的，取氣閥桿部區(qū)域的樣品進(jìn)行微觀組織表征（該位置遠(yuǎn)離氣閥頭部，在氣閥的加工過(guò)程中認(rèn)為沒(méi)有產(chǎn)生變形），氣閥桿部的宏觀組織如圖7 所示。從圖7 可見(jiàn)，桿部組織和頭部組織類似，中間部位為細(xì)晶區(qū)（A 區(qū)），細(xì)晶區(qū)寬度可達(dá)4 mm，邊部為粗晶區(qū)（B 區(qū)和C 區(qū)）。

圖7 氣閥桿部位置宏觀形貌Figure 7 Macroscopic appearance of valve stem

氣閥桿部不同區(qū)域的晶粒組織形貌及晶粒的分布平均尺寸分別見(jiàn)圖8、圖9 和表3。

表3 氣閥桿部位置不同區(qū)域的平均晶粒尺寸Table 3 The average grain size of different areas in valve stem

圖8 氣閥桿部位置不同區(qū)域的OM 微觀組織形貌圖Figure 8 OM morphologies of different areas in valve stem

圖9 氣閥頭部位置不同區(qū)域晶粒尺寸分布統(tǒng)計(jì)圖Figure 9 Statistics of grain size in the valve stem with different areas

樣品中間區(qū)域（A 區(qū)）為均勻的等軸細(xì)晶區(qū)域，平均晶粒尺寸為19±7 μm，晶粒尺寸分布呈現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)分布曲線。在氣閥桿部左側(cè)位置即B 區(qū)域。樣品表現(xiàn)出嚴(yán)重的混晶現(xiàn)象，其中57%晶粒的平均尺寸約為130 μm，其它晶粒則為長(zhǎng)度可達(dá)400 μm 的拉長(zhǎng)形態(tài)的晶粒，晶粒尺寸范圍分布較大，其中最大可達(dá)800 μm，但仍然是細(xì)晶數(shù)量占據(jù)主導(dǎo)。氣閥桿部右側(cè)位置即C 區(qū)域，其晶粒組織與B 區(qū)域的基本類似，同樣存在明顯的混晶組織的晶粒尺寸較大，其中60%晶粒的平均尺寸約為200 μm，40%晶粒的平均尺寸約為350 μm，晶粒尺寸范圍分布較大，其中最大可達(dá)800 μm。

2.2 分析討論

混晶組織的形成與材料成分的均勻性、熱處理工藝，以及后續(xù)熱加工工藝密切相關(guān)［19］。材料成分不均勻?qū)е挛龀鱿嗖痪鶆蚍植迹瑥亩鴮?dǎo)致不同區(qū)域的第二相析出對(duì)晶粒長(zhǎng)大的抑制作用不一致，最終造成混晶現(xiàn)象的產(chǎn)生［20］。另外，如果材料在熱處理和熱加工工藝過(guò)程中處于部分再結(jié)晶區(qū)域，合金中部分區(qū)域會(huì)發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶，而另一部分區(qū)域保持亞晶結(jié)構(gòu)，在后續(xù)固溶處理過(guò)程中會(huì)發(fā)生“大晶粒吃小晶?！钡默F(xiàn)象，則容易產(chǎn)生混晶［21］。此外，精軋溫度控制不合理、夾送輥參數(shù)不當(dāng)?shù)?，都可能?dǎo)致混晶現(xiàn)象的出現(xiàn)［22-24］。

在電鐓和模鍛過(guò)程中排氣閥頭部發(fā)生了劇烈的塑性變形，其中變形量由外至內(nèi)逐漸減小，最外側(cè)C區(qū)域的變形量最大并產(chǎn)生大量的亞晶結(jié)構(gòu)，在隨后的固溶熱處理過(guò)程中亞晶發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶，從而形成尺寸較小的等軸晶。同時(shí)，外部的應(yīng)變速率相對(duì)內(nèi)部也高很多，高應(yīng)變速率變形時(shí)晶粒幾乎同時(shí)變形，使再結(jié)晶發(fā)生的概率增大，細(xì)化效果顯著［25］。因此，在氣閥頭部外側(cè)的晶粒尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氣閥桿部?jī)蓚?cè)的晶粒尺寸，而最中間位置組織變形量最小、應(yīng)變速率也低，幾乎沒(méi)有發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶現(xiàn)象，從而導(dǎo)致氣閥頭部和桿部最中心A 區(qū)域的晶粒尺寸基本一樣。而在氣閥的中間位置B 區(qū)域，變形量介于最外側(cè)C 區(qū)域和中心A 區(qū)域之間，其中部分大晶粒發(fā)生變形，產(chǎn)生亞晶結(jié)構(gòu)，而部分大晶粒則沒(méi)有發(fā)生變化，后續(xù)的熱處理過(guò)程中部分區(qū)域發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶，再次發(fā)生“大晶粒吃小晶粒”的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致混晶問(wèn)題更加突出。同時(shí)，在氣閥的中間位置，應(yīng)變速率也相對(duì)外部較低，低應(yīng)變速率變形時(shí)發(fā)生變形的晶粒不斷轉(zhuǎn)移，因而再結(jié)晶是逐步完成的，隨著再結(jié)晶的晶粒發(fā)生長(zhǎng)大，造成細(xì)化效果的下降［25］。

通過(guò)對(duì)比氣閥頭部和桿部的晶粒組織發(fā)現(xiàn)，在頭部位置中存在三個(gè)不同的區(qū)域：中心區(qū)域（A 區(qū)）為平均晶粒尺寸20 μm 的細(xì)晶區(qū)；中間部位（B 區(qū)）為混晶最嚴(yán)重的區(qū)域，其中細(xì)晶粒尺寸與外部區(qū)域的細(xì)晶粒相同，但粗晶粒尺寸在100 μm 以上；而外部區(qū)域（C 區(qū)），晶粒尺寸相對(duì)混晶區(qū)更為均勻。與此同時(shí)，在氣閥桿部遠(yuǎn)離氣閥頭的位置也觀察到了類似現(xiàn)象，即中間區(qū)域?yàn)榧?xì)晶區(qū)（尺寸約為19 μm），而兩側(cè)則為粗大混晶區(qū)。因此，氣閥頭中混晶組織形成的原因與原始棒料晶粒組織分布密切相關(guān)，后續(xù)的電鐓、模鍛和熱處理都不會(huì)造成混晶的出現(xiàn)，相反在一定程度上還減緩了混晶問(wèn)題。

進(jìn)一步分析氣閥桿部和頭部三個(gè)不同區(qū)域（圖10）的成分分布發(fā)現(xiàn)：無(wú)論是在頭部還是桿部，A、B，C 三個(gè)區(qū)域的主要合金化元素含量并沒(méi)有明顯差異，而且樣品的成分也基本相同；另外，合金不同區(qū)域的γ?析出相和M23C6碳化物分布形式也沒(méi)有明顯差異，這進(jìn)一步說(shuō)明合金中成分偏析對(duì)排氣閥混晶組織的產(chǎn)生影響較少。

圖10 氣閥頭部和桿部位置不同區(qū)域的成分Figure 10 Composition distribution of different areas in valve head and stem

綜上所述，原始棒料中混晶的產(chǎn)生，可能是熱加工或者熱處理溫度不當(dāng)造成的。下一步工作需要利用Gleeble 熱模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)確定Pyromet31V 合金的再結(jié)晶溫度區(qū)域，并且在加工或熱處理過(guò)程中避開(kāi)部分再結(jié)晶溫度范圍，從而消除混晶問(wèn)題。

3 結(jié)論

采用OM 和SEM 研究了Pyromet31V 排氣閥不同區(qū)域的微觀組織形貌，包括晶粒尺寸、晶內(nèi)γ?相、晶界碳化物以及不同區(qū)域的化學(xué)成分等，得出以下結(jié)論。

（1）排氣閥頭部存在明顯的混晶組織區(qū)域，其中中心晶粒平均尺寸為20 μm，最外側(cè)晶粒平均尺寸40 μm，中間部位為混晶區(qū)。三個(gè)區(qū)域的γ?相尺寸和形貌相當(dāng)，均勻分布在γ基體中。三個(gè)區(qū)域的晶界碳化物數(shù)量和形貌也相似，均為M23C6。

（2）排氣閥桿分為三個(gè)區(qū)域，中間區(qū)域?yàn)榫鶆虻牡容S細(xì)晶區(qū)域，左右兩側(cè)均為粗大的混晶區(qū)域。

（3）排氣閥頭部中混晶組織形成與原始棒料晶粒組織分布密切相關(guān)。排氣閥頭部的中間部位變形量小，應(yīng)變速率低，最終頭部中心部位晶粒與原始桿部組織相當(dāng)。排氣閥頭部的外側(cè)部分在電鐓和模鍛過(guò)程中外部發(fā)生了嚴(yán)重的塑性變形，應(yīng)變速率高，變形時(shí)發(fā)生再結(jié)晶的概率增大，細(xì)化效果顯著，從而兩側(cè)粗大混晶組織發(fā)生細(xì)化。