高溫合金GH1140的冷熱循環(huán)處理研究

劉勁松，蒲金魁，黃利銀

（1. 長沙航空職業(yè)技術(shù)學院，湖南 長沙 410124；2. 國營錦江機器廠，四川 成都 610043）

高溫合金是以高熔點金屬Ni（1450 ℃）、Co（1480 ℃）等為基體的金屬材料，目前在先進的航空發(fā)動機中，所占比例已高達50% 以上（參見表1），此外在能源、冶金和化工等領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用[1-3]，高溫合金的應(yīng)用領(lǐng)域如圖1所示。

表1 航空發(fā)動機對高溫合金的需求

圖1 高溫合金的應(yīng)用領(lǐng)域

鐵基變形高溫合金GH1140能承受一定壓力，并具有抗氧化和抗腐蝕能力，在沖壓、焊接等工藝中性能表現(xiàn)優(yōu)良，適用于制造航空航天、燃氣輪機等一般承力部件，和850 ℃以下工作的噴氣發(fā)動機燃燒室等零部件。

深冷處理是一種工藝可行、成本低、操作簡單的新技術(shù),不改變材料形狀,通過改變材料內(nèi)部顯微組織結(jié)構(gòu)來改善材料綜合性能,已經(jīng)在機械工藝制造中扮演著重要的角色，可有效提高零件的耐磨性、疲勞性能和尺寸穩(wěn)定性，引起科學界和工業(yè)界的高度重視，并得到越來越廣泛的應(yīng)用[4-6]。冷熱循環(huán)工藝是將深冷保溫與室溫以上溫度保溫進行周期循環(huán)處理的新工藝，具有消除殘余應(yīng)力、提高尺寸穩(wěn)定性及微變形抗力等作用[7]。

目前，對深冷處理的研究主要集中在鋼鐵、鋁合金和硬質(zhì)合金等有色金屬[8-11]，而對高溫合金深冷處理的報道較少。本文將深冷處理技術(shù)引入高溫合金領(lǐng)域，以較低的成本對高溫合金進行深冷處理，探索了鐵基高溫合金GH1140在深冷處理和循環(huán)處理過程中的組織演變規(guī)律和性能變化機理，為高溫合金的設(shè)計、制造以及新產(chǎn)品研發(fā)以及拓寬深冷處理的實際應(yīng)用領(lǐng)域提供堅實的理論基礎(chǔ)和有積極價值的技術(shù)依據(jù)。

1 試驗設(shè)計

表2 GH1140合金的標準化學成分范圍

首先通過線切割加工若干個小試樣，然后將小試樣分成A1、A2、A3及B1、B2、B3共6組，每組3個。

將高溫合金試樣放在液氮中分別進行5 h、10 h、15 h深冷處理，深冷處理試驗方案如下：

（1）深冷處理工藝A1（-190 ℃降溫-保溫5 h）

（2）深冷處理工藝A2（-190 ℃降溫-保溫10 h）

（3）深冷處理工藝A3（-190 ℃降溫-保溫15 h）

（4）深冷處理工藝B1（-190 ℃降溫-保溫5 h + 升溫180 ℃*6 h）

（5）深冷處理工藝B2（-190 ℃降溫-保溫10 h + 升溫180 ℃*6 h）

（6）深冷處理工藝B3（-190 ℃降溫-保溫15 h+升溫180 ℃*6 h）

上述各個動作均采用電氣控制，通過控制柜面板進行操作，為方便操作，增設(shè)一個HS-14S遙控器，在控制柜和遙控器之間，可任選一種操作方式。

深冷處理設(shè)備如圖2所示，試驗結(jié)束后，取出試樣，然后在室溫下測試其力學性能。

圖2 深冷處理的專用設(shè)備

2 試驗結(jié)果與分析

經(jīng)過深冷處理后，硬度值通過HV-1000硬度計進行測量(每個數(shù)據(jù)為3個試樣硬度的平均值)，抗拉強度通過TD-6000A電子拉力試驗機進行測試（拉伸試樣如圖3所示），材料的金相組織通過 SEM 進行研究。

圖3 板材拉伸試樣示意圖

圖4是深冷處理不同時間后的硬度柱狀圖，可以看出，該材料經(jīng)過深冷處理后，硬度提高。經(jīng)15 h的深冷處理后，材料的顯微硬度從189 HV提高到209 HV，升幅達到11%。

圖4 深冷時間對GH1140顯微硬度的影響

深冷處理5 h、10 h及15 h后再分別升溫至180 ℃并持續(xù)6 h，對GH1140的顯微硬度幾乎沒有影響。

圖5是高溫合金GH1140經(jīng)過不同深冷時間處理后的拉伸強度曲線。可以看出，經(jīng)5 h的深冷處理后，材料的抗拉強度下降。繼續(xù)延長深冷處理時間至 10 h及15 h 后，抗拉強度略有變化，這證明了低溫處理對材料的強度幾乎沒有影響。GH1140不僅適用于高溫環(huán)境，而且具有良好的低溫強度和更廣泛的應(yīng)用范圍。

圖5 不同深冷方式對GH1140抗拉強度的影響

深冷處理5 h、10 h及15 h后再分別升溫至180 ℃并持續(xù)6 h，GH1140的抗拉強度繼續(xù)下降，隨后升高至732 MPa。

圖6是經(jīng)過不同時間深冷處理后得到的GH1140的金相組織?？梢钥闯?，經(jīng)5 h、10 h及15 h深冷處理后，材料的組織變化明顯，顯微硬度顯著提高，抗拉強度下降。

圖6 深冷處理后GH1140合金的顯微組織

一方面，由于GH1140為鐵基固溶強化型高溫合金，固溶處理之后，組織為單相奧氏體和以夾雜物形式而存在的一次析出相 Ti(CN)。 在深冷處理過程中，奧氏體組織逐步轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織，晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動，形成大量孿晶，從而提高了材料的硬度；另一方面，由于深冷處理導(dǎo)致基體晶格常數(shù)降低，GH1140在深冷處理后析出第二相粒子，顯微組織中分布更多更細的碳化物硬質(zhì)點，從而使得高溫合金的硬度得到提高。

此外，深冷處理形成馬氏體的轉(zhuǎn)變過程中GH1140比容增大，同時由于熱脹冷縮的作用，GH1140表面形成較大的壓應(yīng)力層，不僅可以使得該材料的硬度得到大幅度提高，而且可以有效避免表面裂紋的產(chǎn)生；在深冷處理過程中，引起材料內(nèi)部組織的收縮。這會使GH1140本身的小缺陷，如應(yīng)力集中部位和微孔，產(chǎn)生塑性流。復(fù)溫過程中，將在高溫合金的空位表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力，這種殘余應(yīng)力可以減少缺陷對局部強度的損傷，使GH1140的力學性能得到提高。

冷熱循環(huán)過程中，-190℃的冷卻過程會導(dǎo)致微孔等內(nèi)應(yīng)力集中部位發(fā)生塑性流變；而在180 ℃，6 h的加熱和保溫過程中，殘余應(yīng)力會在空位表面產(chǎn)生，可減小缺陷對GH1140的損害，提升高溫合金的局部強度；另外組織結(jié)構(gòu)不均勻的熱脹冷縮效應(yīng)，引發(fā)不均勻微塑性變形，從而釋放內(nèi)部殘余應(yīng)力，提高尺寸穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

（1）深冷作用能使無相變材料的晶界發(fā)生畸變而改善微細化合物即硬質(zhì)點的分布，內(nèi)部形成大量應(yīng)力應(yīng)變，產(chǎn)生位錯和破碎晶粒，從而使得材料中存有較大的殘余應(yīng)力，還可析出細小顆粒形成第二相強化。

（2）通過短時間深冷處理，GH1140可以獲得更高硬度，但是深冷處理對強度影響不大，這說明GH1140鐵基高溫合金在低溫下也具有良好的力學性能，適合低溫環(huán)境下的應(yīng)用。

（3）GH1140經(jīng)-190 ℃，5 h、10 h及15 h的深冷處理后，再分別升溫至180 ℃并持續(xù)6 h，抗拉強度則隨著深冷處理時間的延長，先降后升至732 MPa；但冷熱循環(huán)處理對GH1140的硬度影響不大。