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迷宮軸是某飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上的關(guān)鍵零件之一，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)主要起到阻尼減振作用，對(duì)材料提出了較高的要求。目前該零件材料為GH500高溫合金，是以鎳-鉻-鈷為基的時(shí)效強(qiáng)化型高溫合金，加入鋁、鈦沉淀強(qiáng)化，并用鉬固溶強(qiáng)化，合金有較好的耐熱腐蝕性能和長期組織穩(wěn)定性，其使用溫度一般不超過870℃，短時(shí)可達(dá)980℃；適用于制造燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)部件及承力件。因此，對(duì)材料為GH500高溫合金的零件熱處理工藝參數(shù)控制，尤其是對(duì)高溫持久性能指標(biāo)提出了更高的要求。

 

1.零件存在的問題

（1）零件的加工情況及性能要求

該迷宮軸的材料為GH500，目前采用的加工路線為：鍛造成型 →固溶（箱式電阻爐）→車工→鉗工→車工→時(shí)效（真空爐）→三道磨工→鉗工→熒光檢查→標(biāo)印→檢驗(yàn)→入庫。迷宮軸的零件示意如圖1所示。

零件時(shí)效后的性能要求：100%檢查硬度HV₃₀≥340，并按技術(shù)文件檢測(cè)室溫拉伸性能和870℃光滑持久性能，具體性能指標(biāo)如表1所示。

 

（2）存在的問題

某生產(chǎn)批次（共24件）迷宮軸在時(shí)效處理后，從毛坯（編號(hào)1^#）中取力學(xué)性能試棒進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)。發(fā)現(xiàn)：室溫拉伸性能、硬度結(jié)果均符合技術(shù)要求，而870℃光滑持久性能出現(xiàn)嚴(yán)重偏低的情況（要求為≥50h，實(shí)際34.2h，重取為20.7h、23.4h），不符合相關(guān)技術(shù)條件的要求。

 

后又從該批零件中隨機(jī)抽取一件零件剖切后（編號(hào)2^#）進(jìn)行高溫持久性能檢查。具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不合格批零件力學(xué)性能數(shù)據(jù)

檢測(cè)項(xiàng)目		要求	1#（毛坯）			2#（剖切零件）
			初取	重取		剖切零件
室溫 拉伸 性能	σb/MPa	≥1100	1370	—	—	—	—
	σ0.2/MPa	≥750	920	—	—	—	—
	伸長率δ（%）	≥10	18	—	—	—	—
	斷面收縮率ψ（%）	實(shí)測(cè)	22.8	—	—	—	—
硬度	HV30	≥350	—	—	—	—	—
高溫 持久 性能	試驗(yàn)應(yīng)力	≥216	216	216	216	216	216
	870℃光滑持久/h	≥50	34.2	20.7	23.4	115.8	86.6
	伸長率δ（%）	≥9	22	21	26	40	28

2.原因分析

材料的成分決定組織，組織決定性能。為分析零件出現(xiàn)的高溫持久性能不合格的問題，對(duì)零件的成分和組織做了相應(yīng)分析。

 

（1）成分分析

對(duì)1^#（毛坯）和2^#（剖切零件）分別進(jìn)行了成分復(fù)測(cè)分析，并和GH500名義成分進(jìn)行對(duì)比分析。如表2所示。

表2  性能試棒化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

元素	Ni	C	Cr	Co	Mo	Al	Ti
要求	余	≤0.12	18~20	15~20	3.0~5.0	2.75~3.25	2.75~3.25
1#（毛坯）	余	0.093	18.90	18.71	4.05	2.93	3.15
2#（剖切零件）	余	0.098	19.40	18.97	4.07	3.00	3.20
元素	B	Zr	Mn	Si	S	Cu	Fe
要求	0.003~0.008	≤0.06	≤0.75	≤0.75	≤0.015	≤0.1	≤4.0
1#（毛坯）	0.006	＜0.06	＜0.20	＜0.20	0.0029	＜0.10	＜1.00
2#（剖切零件）	0.007	＜0.06	＜0.20	＜0.20	0.0030	＜0.10	＜1.00

由表2結(jié)果表明：1^#（毛坯）和2^#（剖切零件）的材料成分均無明顯異常?？梢姴牧系幕瘜W(xué)成分不是導(dǎo)致該批零件高溫持久性能不合格的原因。

 

（2）晶粒度分析

對(duì)1^#（毛坯）持久性能試棒的初取試樣和重取試樣進(jìn)行晶粒度檢查，如圖2所示。由圖2可見，1^#（毛坯）持久性能初取試樣和重取試樣的晶粒度無明顯差別，均為7～8級(jí)。

為進(jìn)一步分析高溫持久性能不合格的原因，對(duì)1^#毛坯不同部位再次取樣，分析不同部位晶粒度的均勻性以及變化情況。如圖3所示。

由圖3可見，同一件毛坯，位置a的晶粒度為7～8級(jí)；位置b從金相上顯示為7～8級(jí)的晶粒中夾雜著4～5級(jí)的晶粒，個(gè)別晶粒達(dá)3級(jí)，存在混晶現(xiàn)象；位置c大部分為4～5級(jí)晶粒度，局部存在7～8級(jí)晶粒。由此可見，1#毛坯不同部位的晶粒度大小存在明顯差別，從3級(jí)到8級(jí)變化，局部存在混晶現(xiàn)象。

 

對(duì)高溫持久性能合格的2^#（剖切零件）進(jìn)行晶粒度檢查。如圖4所示。由圖4可見，2^#（剖切零件）晶粒度為均勻4級(jí)。

由以上分析可以看出：時(shí)效后870℃持久性能偏低的毛坯晶粒度為7～8級(jí)，分析其毛坯不同部位晶粒度的均勻性和變化情況，發(fā)現(xiàn)局部存在混晶現(xiàn)象。而高溫持久性能合格的零件晶粒度為4級(jí)。

 

可見，鍛件晶粒度不均勻，或者說晶粒度偏細(xì)是造成零件870℃持久性能不合格的主要原因。

 

3.解決方法

由原因分析可知，要改善零件的870℃持久性能，就必須調(diào)整零件的晶粒度，要調(diào)整晶粒度，就必須通過重新固溶來改善零件局部晶粒不均勻的狀況，而后再進(jìn)行時(shí)效強(qiáng)化，從而達(dá)到零件的使用性能要求。但是，目前零件已經(jīng)過精加工，余量較少，返修時(shí)，必須要考慮零件變形、氧化皮等負(fù)面影響。因此，必須在設(shè)備、工藝制度等幾個(gè)方面慎重選擇。

 

（1）設(shè)備選擇

按原工藝，零件固溶應(yīng)在普通箱式電阻爐中進(jìn)行，但是，目前零件已到時(shí)效工序，尺寸基本加工到位，加工余量很少且零件變形要求高。由于固溶溫度高，在普通空氣爐中進(jìn)行高溫固溶時(shí)易產(chǎn)生氧化皮。而真空加熱設(shè)備主要是在真空環(huán)境中，以輻射加熱為主，能夠抑制氧化作用，得到光亮表面，且在700℃以上具有很好的爐溫均勻性，零件變形較小，冷卻速度可控等一系列優(yōu)點(diǎn)。

 

返修選用的真空爐加熱元件為鉬片加熱，薄片裝的鉬片成環(huán)形環(huán)繞在爐壁內(nèi)保證了高溫加熱時(shí)的爐溫均勻性。圖5是真空氣淬爐的加熱元件布局示意。

（2）原固溶工藝

固溶：箱式爐，≤825℃進(jìn)爐，在850℃±10℃，保溫2～3h，升至1090℃（熱電偶跟蹤）4～5h，散開空冷。

 

一次時(shí)效：真空爐，845℃±10℃，24h～24.5h 隨爐冷至400℃開始通氬開風(fēng)扇冷至≤150℃出爐空冷（真空工作壓強(qiáng)為133.3×10^-1～133.3×10^-3Pa）。

 

二次時(shí)效：真空爐，760℃±10℃，16h～16.5h隨爐冷至400℃開始通氬開風(fēng)扇冷至≤150℃出爐空冷（真空工作壓強(qiáng)為133.3×10^-1～133.3×10^-3Pa）。

 

（3）返修補(bǔ)救工藝

固溶：真空爐，以10～20℃/min的速率升至1100℃±10℃，保溫4h～4.5h通氬2×10⁵Pa開風(fēng)扇冷至≤150℃出爐空冷 （真空工作壓強(qiáng)為133.3×10^-1～133.3×10^-3Pa）。

 

一次時(shí)效、二次時(shí)效處理工藝不變。

 

時(shí)效后，除進(jìn)行100%零件硬檢、20℃拉伸和870℃光滑持久性能檢查外，增加了試料晶粒度檢查，驗(yàn)證零件補(bǔ)充固溶后晶粒局部不均勻狀況的改善情況。

 

原固溶工藝制度與返修固溶工藝制度的區(qū)別如圖6所示。

（4）裝爐情況

為確保零件受熱均勻，裝爐時(shí)保證零件與零件之間距離為30～50mm，避免零件堆疊、磕碰。

 

4.結(jié)果及分析討論

通過以上改進(jìn)措施的實(shí)施和控制，對(duì)一批零件進(jìn)行固溶、時(shí)效處理后，進(jìn)行金相顯微組織檢測(cè)和力學(xué)性能檢測(cè)。力學(xué)性能結(jié)果如表3所示。

表3 力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

項(xiàng)目	20℃拉伸性能						870℃光滑持久性能.				硬度
	σb/MPa		σ0.2/MPa		Z（%）		光滑壽命（τ）		δ（%）		HV30
要求	≥1100		≥750		≥10		≥50		≥9		≥350
實(shí)際	1305	1337	929	936	13.3	13.3	60	60.5	24	16	410～450
結(jié)論	合格		合格		合格		合格		合格		合格

100%晶粒度檢查結(jié)果為：在零件端面制樣進(jìn)行高倍檢查，基體組織正常、晶粒均勻、晶粒度為3級(jí)+少量4級(jí)（見圖7）。符合相關(guān)技術(shù)要求，結(jié)論合格。

（1）該零件在真空爐中進(jìn)行返修后（固溶、時(shí)效處理），零件的室溫拉伸、高溫持久性能以及晶粒度均滿足了發(fā)動(dòng)機(jī)使用要求。這是因?yàn)檎婵諣t熱處理有零件表面光亮、無氧化、零件變形小的等一系列特點(diǎn)，保證了返修零件的表面質(zhì)量及零件的平面度和內(nèi)外圓尺寸。并且真空設(shè)備在700℃以上有較好的爐溫均勻性，且真空固溶時(shí)零件擺放間距較大，零件固溶充分保證了返修零件的晶粒均勻。

 

（2）作為材料強(qiáng)化的一種有效手段，晶粒細(xì)化是工程應(yīng)用中較好的強(qiáng)化方法，與其他強(qiáng)化方式相比，細(xì)晶強(qiáng)化是唯一的一種在增加材料強(qiáng)度的同時(shí)也增加材料塑性的強(qiáng)化方式。不過，由于細(xì)晶強(qiáng)化所依賴的前提條件是晶界阻礙位錯(cuò)滑移，這在溫度較低的情況下是存在的。而晶界本質(zhì)上是一種缺陷，當(dāng)溫度升高是，隨著原子活動(dòng)性的加強(qiáng)，晶界也變得不穩(wěn)定，這將導(dǎo)致其強(qiáng)化效果逐漸減弱，甚至出現(xiàn)晶界弱化的現(xiàn)象。實(shí)際上，多晶體材料的強(qiáng)度-溫度關(guān)系中，存在一個(gè)所謂的“等強(qiáng)溫度”，小于這個(gè)溫度時(shí)，晶界強(qiáng)度高于晶內(nèi)強(qiáng)度，反之，則晶界強(qiáng)度小于晶內(nèi)強(qiáng)度，如圖8所示。

因此，對(duì)于有特殊要求的迷宮軸零件所用的GH500高溫合金而言，為達(dá)到滿意的高溫持久性能，就必須將晶粒度控制到最佳范圍。

 

（3）如何控制零件的晶粒度，使鍛件不出現(xiàn)晶粒度不均勻以及混晶現(xiàn)象。不僅要保證后期熱處理固溶的充分性，而且在鍛造階段就應(yīng)該嚴(yán)格控制。建議在以后生產(chǎn)鍛件毛坯時(shí)，對(duì)模具要進(jìn)行充分余熱。如果模具溫度較低，首先需要鍛造的鍛件與較冷的模具接觸，晶粒無法正常長大，就保持相對(duì)較小的形態(tài)，所以會(huì)出現(xiàn)部分鍛件晶粒度較小。另外，為防止混晶的出現(xiàn)，還應(yīng)嚴(yán)格控制變形節(jié)奏和打擊力度，確保變形均勻。這樣，才能保證零件再結(jié)晶的均勻性，從而保證晶粒的均勻性。

 

5.結(jié)語

（1）晶粒度是影響GH500高溫合金高溫持久性能的主要因素，當(dāng)晶粒度控制在3～4級(jí)時(shí)，高溫持久性能良好，符合發(fā)動(dòng)機(jī)使用要求。

（2）為獲得滿足需要的晶粒度，應(yīng)從鍛造工藝和熱處理工藝兩個(gè)方面控制，鍛造時(shí)，應(yīng)對(duì)模具進(jìn)行充分預(yù)熱，嚴(yán)格控制變形節(jié)奏和打擊力度；熱處理時(shí)應(yīng)保證固溶充分。

（3）對(duì)于材料為GH500高溫合金的少、無余量精密加工零件，若出現(xiàn)高溫持久性能偏低，可采用1100℃±10℃、保溫4～4.5h、通2×10⁵Pa氬氣開風(fēng)扇冷卻的方式在真空爐中返修補(bǔ)救。

 

文/張莉、文鈺、李克、郭占兵，中國南方航空工業(yè)（集團(tuán)）有限公司