析出相對Haynes242 性能的影響

文／龔忠興，王攀智，魏詩偉，鄒朝江，吳永安，張華·貴州航宇科技發(fā)展股份有限公司

本文結(jié)合高倍組織檢查，SAED、TEM、EDS 分析，研究了Ni2CrMo、富Mo 相的分布對Haynes242 材料高溫拉伸性能和高溫組合持久性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)：Ni2CrMo 作為Haynes242的性能強化相，Ni2CrMo 跟熱處理時間有關(guān)，時間越長，Ni2CrMo 析出數(shù)量越多，高溫拉伸強度越高，持久時間越長；而富Mo 相的產(chǎn)生雖然也有助于強度的提升，但由于其析出耗盡了大量的Mo元素，導(dǎo)致晶界附近沒有Ni2CrMo強化相析出，會使得Haynes242合金出現(xiàn)持久缺口敏感性；但通過重新熱處理后可以消除一定量富Mo 相，減小Mo 元素的消耗，促進(jìn)Ni2CrMo 強化相的析出，改善綜合性能。因此，優(yōu)化Haynes242 合金鍛件熱加工工藝，可以控制Ni2CrMo、富Mo 相的析出和分布，是平衡合金高溫拉伸性能，解決持久缺口敏感性的有效途徑。

低膨脹高溫合金是一種同時具有高強度、低膨脹系數(shù)和近恒定彈性模量的高溫合金，在航空發(fā)動機中主要用作機匣、封嚴(yán)環(huán)和渦輪外環(huán)等多種間隙控制構(gòu)件。它是航空發(fā)動機實現(xiàn)間隙控制技術(shù)，減少燃?xì)鈸p失和提高熱效率不可替代的關(guān)鍵功能結(jié)構(gòu)材料。從20 世紀(jì)70 年代開始，低膨脹高溫合金就用于航空發(fā)動機，隨著航空發(fā)動機的不斷發(fā)展，要求早期的Fe-Ni-Co 基鐵磁性低膨脹高溫合金消除持久缺口敏感性和應(yīng)力，促進(jìn)晶界氧化脆性，提高抗氧化性能和降低合金的熱膨脹系數(shù)隨溫度的變化速率，并進(jìn)一步要求低膨脹高溫合金同時具有抗海洋鹽腐蝕的性能。

Haynes242 合金是美國哈氏合金公司生產(chǎn)的Ni-Mo-Cr 系高溫合金，該合金通過固溶時效能析出長程有序、彌散分布的納米級Ni2CrMo 相，因而具有優(yōu)異的高溫強塑性和高溫抗氧化性能。同時，該合金由于具有低熱膨脹系數(shù)，在國外被廣泛應(yīng)用于制造燃?xì)廨啓C密封環(huán)等高溫緊固件，但Haynes242 材料中合金元素(Mo、Ti、Cr、W、Nb、Co)的含量高達(dá)41%，高合金化程度大幅度提升了熱變形中的固溶強化能力和熱成形過程中的變形抗力，即使合金成分的微小波動也會對力學(xué)性能產(chǎn)生較大的影響，加上該材料變形抗力較大、塑性差、易開裂等問題，極大地限制了該合金的推廣及在特殊裝備制造業(yè)中的應(yīng)用。

試驗材料及方法

生產(chǎn)鍛件用原材料為Haynes 公司生產(chǎn)的φ150mm合金棒材，冶煉方法為自耗電極重熔，合金化學(xué)成分見表1。在800t 快鍛機和φ1600mm 環(huán)軋機上鍛造成φ390mm×φ310mm×106mm 環(huán)件，鍛造后取樣按照表2 的A、B 熱處理方案進(jìn)行熱處理，切取弦向試樣分別進(jìn)行650℃高溫拉伸性能測試和650℃+620MPa 條件下的組合持久測試。再對不同熱處理工藝后的試樣進(jìn)行高倍組織檢查及分析，研究影響Haynes 合金高溫拉伸強度和高溫持久缺口敏感性的因素；初次測試的制度A 持久試樣均斷缺口，因此對制度A 的試樣進(jìn)行重新固溶和時效熱處理，目的是為了通過重新固溶將團狀的富Mo 相溶解掉一部分，再進(jìn)行時效析出強化相，重新熱處理的參數(shù)見表2。

表1 試驗用Haynes242 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 Haynes242 熱處理試驗制度

環(huán)件在軋制過程中，組織全部再結(jié)晶；Haynes242合金中Mo 含量將近25%，由于Mo 元素熔點低，環(huán)件冷卻后容易在晶界形成富Mo 相。Haynes24 的合金固溶要求溫度范圍為1039 ～1093℃，時間要求最少30min；時效要求溫度范圍為649 ～703℃，時間要求為24 ～96h；熱處理溫度選用規(guī)范的中間值1075℃、1080℃和677℃，不同點在于保溫時間的選擇。

試驗結(jié)果及分析

Haynes242 在不同制度熱處理后的650℃高溫拉伸性能和高溫持久性能見表3 和表4。

表3 不同制度熱處理后Haynes242 的650℃高溫拉伸性能

表4 不同制度熱處理后Haynes242 的650℃高溫持久性能

根據(jù)高溫拉伸性能測試，原始制度A 的高溫拉伸屈服強度偏高，抗拉強度均勻性偏差，伸長率在3個制度中是最差的，整體展現(xiàn)了強度高、塑性偏差的特點；制度B 的強度、塑性整體性好；原始制度A的試樣重新熱處理后高拉測試強度、塑性對比原始狀態(tài)均有改善，整體性較好。

對比持久性能，原始制度A 的試樣采用90ksi 加載強度，兩根試樣分別在94.2h 和129h 時在缺口處斷裂，而制度B 的試樣采用更高的95ksi 加載強度，兩根試樣分別在128h 和141h 斷裂在光滑處，斷后伸長率較好；原始制度A 的試樣重新熱處理后解決了缺口問題，持久時間提高了約30h。

基于以上數(shù)據(jù)，對制度A、制度B、原始制度A重新熱處理后的試樣進(jìn)行高倍檢查。從圖1(a)、(b)、(c)照片可以看出，兩個制度熱處理后的試樣主體晶粒度都為5 級，但制度A 的高倍照片中帶有團狀的第二相，且分布的密度較大，分布區(qū)域沒有規(guī)律；制度B 的高倍均勻性較A 要好，高倍照片中未見明顯的第二相分布。

圖1 試樣的高倍組織分析

重新熱處理后的高倍組織中大大減少了團狀富Mo 相，整體的高倍比較均勻，但晶粒度僅由重新熱處理前的5 級變?yōu)?.5 級，幾乎沒有太大的變化，結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗，該組織和其他正常合格的試樣組織比較接近；高拉的強度有一定的降低，塑性數(shù)值也有微小增加，但整體水平比重新熱處理前有提高；持久時間達(dá)到了160h 以上，最終斷裂在光滑位置，斷后伸長率達(dá)到18%，這得益于重新高溫固溶后將團狀富Mo相溶解，促進(jìn)了Ni2CrMo 相的析出，有效地改善了合金的整體理化性能。

強度表現(xiàn)整體性好，在持久合格的制度B 試樣上進(jìn)行選區(qū)電子衍射分析，結(jié)合文獻(xiàn)中的試驗及分析，得出彌散分布的相為Ni2CrMo 相，該相形態(tài)呈橢球狀，長度10 ～30nm，Haynes242 正是通過該相的作用起到強化效果，作為納米級的析出相，Ni2CrMo 相彌散分布在晶界內(nèi)和晶界上，熱處理后的樣品在光學(xué)顯微鏡下沒有基本特征，電子衍射分析見圖2。

圖2 制度B 試樣的選區(qū)電子衍射分析

如圖3 所示，對制度A 熱處理后試樣的團狀析出物進(jìn)行電子透射和面掃描元素分布分析，發(fā)現(xiàn)除了有Ni2CrMo 相析出外，在團狀的析出物中是還含有高M(jìn)o 元素相。

圖3 制度A 試樣的電子透射及能譜分析

由于含Mo 元素較高，對比在張海武和Kumar M 等人在文獻(xiàn)中提到的相組成成分，該相很有可能是μ 相，在鎳基高溫合金中μ 相主要由 Ni、Co、W 和Mo 組成，如Co7W6、Co7Mo6、Fe7W6等。蔡玉林等人在文獻(xiàn)中描述μ 相的形成溫度比較寬，可以從800℃延續(xù)到1140℃左右，而鍛造溫度也是處于800℃至1140℃之間，而且該材料本身變形抗力較大，如果因變形不均勻、在低溫下變形等很有可能會因此產(chǎn)生大量的二次析出相，因此基于以上推斷，該相很有可能是μ 相。

綜合對比制度A、制度B 和制度A 重新熱處理后的試樣，制度A 的固溶時間較短，但時效時間長；制度B 的固溶時間為A 的兩倍，但時效時間短；重新熱處理的溫度提高，時效時間和制度B 的相同。從高倍組織來看，制度A 熱處理后的試樣沒有完全均勻，還帶有較多的條帶狀組織，該組織分布面積廣，沒有規(guī)律的在晶內(nèi)和晶界分布，因此析出了大量富含Mo 元素的相，該相的形成大大消耗了相鄰基體中的Mo，導(dǎo)致晶界附近析出的Ni2CrMo 相偏少。從高溫抗拉性能來看，析出較多富含Mo 元素的相及相對長的時效時間有助于提升高溫抗拉強度，但塑性性能稍微偏差。從制度A 的持久試樣斷裂情況來看，如圖4 所示，裂紋萌生的位置屬于帶狀析出相較多的區(qū)域，而該位置由于Ni2CrMo 相偏少，即使持久加載溫度也在時效溫度范圍內(nèi)，說明持久加載也會對合金起到一定的強化相析出作用，但持久加載過程中析出速度偏慢，不能夠抵消帶狀富Mo 區(qū)所消耗掉的Mo，以至于持久加載了100h 才發(fā)生斷裂。該現(xiàn)象同別的合金不太一樣，別的合金如果是通過在晶界析出相強化改善持久效果的，那么會因為晶界析出相少而很快產(chǎn)生斷缺口；該合金能夠達(dá)到100h 才發(fā)生斷裂，說明時效后已經(jīng)析出了一定量的強化相。而制度B 和制度A 重新熱處理后的高倍組織富Mo 相較少，綜合性能要比制度A 富Mo 相的試樣要好；因此富含Mo 元素的相雖然一方面可以提高抗拉強度，但對持久性能有一定的影響，而且合金塑性偏差，該合金需避免富含Mo 相大量析出，才能平衡合金的組織、強度、持久性能和塑性。

圖4 制度A 試樣的持久斷裂裂紋源

討論

微小的化學(xué)成分波動都會對Haynes242 合金的力學(xué)性能產(chǎn)生較大的影響，且該合金對變形也比較敏感，鍛件尺寸普遍偏小，總體變形量不大，因此如果在鍛造時得不到均勻的高倍組織，想通過熱處理進(jìn)行改善是比較困難的，很有可能最終得到類似制度A 第一次熱處理后的組織，力學(xué)性能的表現(xiàn)也會接近，如何才能提高鍛件生產(chǎn)一致性、穩(wěn)定性，這是目前困擾該合金發(fā)展的一大問題。

從制度A 的重新熱處理試驗得到啟發(fā)，解決該合金的整體力學(xué)性能及組織問題的方法之一是通過重新熱處理來改善，那么可否就將熱處理的時間加長或者溫度提高，一次就解決該問題。

富Mo 相產(chǎn)生和存在對整體理化表現(xiàn)有不好的影響，還需進(jìn)一步研究其產(chǎn)生的條件、基體等，如何在熱加工、變形時避免，這是困擾該合金發(fā)展的又一問題。

結(jié)論

⑴Ni2CrMo 形態(tài)呈橢球狀，尺寸在10 ～30nm 之間，是Haynes242 合金的強化相，通過光學(xué)顯微鏡無法識別，Ni2CrMo 跟熱處理時效時間有關(guān)，時效時間越長，Ni2CrMo 析出數(shù)量越多，抗拉強度越高，持久時間越長。

⑵富Mo 相的產(chǎn)生有助于強度的提升，但塑性偏差，其析出耗盡了大量的Mo 元素，導(dǎo)致晶界附近沒有Ni2CrMo 強化相析出，裂紋萌生的位置是從富含Mo 相的區(qū)域開始，會使得Haynes242 合金出現(xiàn)持久缺口敏感性。

⑶通過重新熱處理后可以消除一定量富Mo 相，減少Mo 元素的消耗，促進(jìn)Ni2CrMo 強化相的析出，改善綜合性能。