時效溫度對GH4282合金彈簧絲材組織和性能的影響

李開松,李晶琨

(1.北京鋼研高納科技股份有限公司,北京 100081; 2.河北工業大學 材料科學與工程學院,天津 300401;3.河北省新型功能材料重點實驗室,天津 300401)

耐高溫彈簧在航空、航天、核電等領域具有廣泛應用,主要起密封、減震、預緊等作用[1-2]。彈簧構件通常需要在有限的空間內達到較大的彈力輸出,并且在服役溫度下保持一定的彈力值。因此,彈簧絲材料需要具有優良的高溫強度和穩定性[3]。

高溫合金具有優異的室溫以及高溫強度、抗氧化性、耐腐蝕性和抗高溫蠕變性能,廣泛用于制造高強度耐高溫彈簧。GH4145(對應國外X-750)、GH4169(對應國外Inconel 718)和GH2132(對應國外A286)合金在650 ℃以下具有優異的性能,其絲材廣泛用于制作耐高溫彈簧[4-6]。然而,當服役溫度超過650 ℃時,以上三種合金高溫強度急劇降低,這是析出強化相急劇長大,強化作用減弱導致的。GH4141合金(對應國外René 41)具有優異的高溫強度、抗氧化性和抗腐蝕性,廣泛用作高溫緊固件、高溫彈簧等,最高使用溫度達980 ℃[7-8]。但GH4141合金γ′相含量高、析出速度快且加工硬化速度快,需要頻繁進行熱處理,導致GH4141合金絲材工藝流程長、極易出現時效開裂,限制其應用[9]。GH4282合金(對應國外Haynes 282)是在GH4141合金的基礎上研制的時效強化型合金,具有優異的熱穩定性、焊接性和成形性,同時在649～927 ℃下表現出與GH4141相當的抗蠕變性能[10-11]。因此,GH4282合金絲材適于制作耐高溫彈簧。

熱處理工藝是調控合金組織、提高其性能的常用手段[12-13],目前對GH4282合金的熱處理工藝研究主要集中在板材和棒材,缺少對絲材熱處理工藝的研究[14]。此外,高溫合金絲材比表面積較大,其高溫強度明顯低于板材和棒材。因此,為了提高絲材的高溫強度使其滿足耐高溫彈簧的需求,應在GH4282合金板棒材熱處理工藝的基礎上,針對絲材進行熱處理工藝研究。通過顯微組織調控優化晶界碳化物和晶內γ′相來提高絲材高溫強度。本論文系統研究了時效處理工藝對GH4282合金絲材的微觀組織和力學性能的影響,為GH4282合金耐高溫彈簧的應用提供了理論支撐。

1 試驗材料與方法

實驗所用原材料為北京鋼研高納科技股份有限公司生產的φ1.0 mm 的GH4282合金絲材,化學成分見表1。實驗材料通過真空熔煉結合電渣重熔雙聯冶煉工藝熔煉,依次經過均勻化處理、鍛造、棒材熱軋、酸洗、冷拉拔和中間固溶處理、成品冷拉、表面處理等工序制備φ1.0 mm的冷拉態GH4282合金彈簧絲材。冷拉態絲材熱處理包括固溶處理、一次時效處理和二次時效處理。冷拉態絲材進行固溶處理時,固溶工藝為1130 ℃×20 min,空冷,再進行不同加熱溫度的時效處理。

表1 GH4282合金的化學成分(質量分數,%)

利用SX-G18133型節能箱式電阻爐對GH4282合金絲材進行時效處理。將經過不同溫度時效處理后的絲材進行鑲樣、打磨、拋光和侵蝕制備金相試樣,采用光學顯微鏡(OLYMPUS GX71)和高分辨場發射掃描電鏡(JEOL JSM-7800F)及能譜儀對絲材微觀組織、析出相形貌進行觀察并分析其成分。時效處理后的絲材使用MTS萬能材料試驗機進行室溫拉伸和900 ℃拉伸試驗,按照標準GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》和GB/T 228.2—2015《金屬材料 拉伸試驗 第2部分:高溫試驗方法》進行,并測試絲材的抗拉強度和伸長率。

本研究旨在優化絲材時效溫度,建立組織與性能之間的關系,并獲得最優時效工藝,得到最佳的高溫力學性能,進而為高溫用GH4282合金彈簧設計提供依據。為了分析時效溫度對絲材組織和性能的影響,實驗采用時效處理制度如下:一次時效處理溫度為990、1010和1030 ℃,保溫2 h,空冷;二次時效處理溫度為788、850、900和950 ℃,保溫8 h,空冷。

2 試驗結果

2.1 顯微組織

圖1為GH4282合金絲材一次時效后的微觀組織。由圖1(a)可知,固溶處理后的絲材平均晶粒尺寸約60 μm。由圖1(b)～(d)可知,990～1030 ℃一次時效處理后,絲材晶粒尺寸與固溶處理的基本一致,這是由于一次時效溫度低于固溶溫度,絲材未發生晶粒長大。

(a)固溶處理;(b)固溶+990 ℃處理;(c)固溶+1010 ℃處理;(d)固溶+1030 ℃處理

圖2為GH4282合金絲材一次時效后晶界形貌。圖3為1010 ℃時效處理2 h后合金中碳化物的能譜分析。由圖2(a)中可知,固溶處理后的絲材晶界處只存在少量碳化物,未發生回溶。由圖2(b)～(d)可知,990～1130 ℃一次時效處理后生成的細小顆粒狀碳化物呈鏈狀分布于晶界。隨著時效溫度的升高,碳化物的數量逐漸增多。能譜分析結果表明,晶界處的碳化物(圖3中A點)為富Cr、Mo的M23C6型,晶內碳化物(圖3中B點)為富Ti、Mo的MC型。

(a)固溶處理;(b)固溶+990 ℃時效;(c)固溶+1010 ℃時效;(d)固溶+1030 ℃時效

(a)碳化物;(b)A點能譜;(c)B點能譜

圖4為GH4282合金絲材二次時效后的微觀組織。由圖4可知,不同溫度下二次時效處理后晶粒尺寸基本相同,且與固溶態和一次時效處理后的絲材保持一致,但二次時效后晶內析出相數量明顯增多。

(a)788 ℃時效;(b)850 ℃時效;(c)900 ℃時效;(d)950 ℃時效

高溫合金主要通過時效處理析出γ′相進行強化,γ′相的尺寸、數量與分布都會影響合金的強度[15]。圖5為二次時效處理后GH4282合金絲材中γ′相形貌,晶內存在兩種尺寸的γ′相。GH4282合金絲材經788 ℃×8 h時效后,大γ′相尺寸100～130 nm,小γ′相尺寸20～30 nm,見圖5(a);850 ℃×8 h時效后,合金絲材中的γ′相仍保持球形形態,兩種γ′相尺寸均發生長大,大γ′相尺寸長大至120～180 nm,小γ′相尺寸長大至40～60 nm,見圖5(b);900 ℃×8 h時效后,合金絲材中的γ′相數量減少,大γ′相尺寸長大至200～300 nm,小γ′相尺寸長大至80～100 nm,同時γ′相形狀發生改變,由球形向不規格形狀轉變,見圖5(c);時效溫度升高到950 ℃時,γ′相數量急劇減少,小γ′相完全回溶消失,大γ′相數量較少,同時尺寸也開始減小,形狀更加不規則,見圖5(d)。

(a)788 ℃時效;(b)850 ℃時效;(c)900 ℃時效;(d)950 ℃時效

2.2 力學性能

圖6為GH4282合金絲材經990～1030 ℃×2 h一次時效+788 ℃×8 h二次時效后的室溫力學性能。由圖6可知,不同時效溫度處理后絲材室溫抗拉強度與伸長率基本保持一致。

圖6 時效處理對GH4842合金絲材室溫拉伸性能的影響

二次時效處理后GH4282合金絲材的力學性能如圖7所示。圖7(a)為二次時效處理后的絲材室溫拉伸性能,隨著二次時效溫度的升高,合金絲材的抗拉強度呈逐漸降低的趨勢,斷后伸長率呈逐漸升高的趨勢。圖7(b)為不同二次時效溫度處理后的絲材900 ℃拉伸性能,隨著二次時效溫度的升高,絲材抗拉強度先升高后逐漸降低,伸長率先降低后逐漸升高。在788～850 ℃的二次時效處理溫度之間,合金的抗拉強度呈略微上升趨勢,但變化不明顯。

(a)室溫拉伸性能;(b)900 ℃拉伸性能

3 分析與討論

3.1 碳化物對合金絲材力學性能的影響

GH4282合金的γ′相和碳化物等析出相在基體和晶界的分布、尺寸及形狀都會影響合金的強度、塑性等力學性能,可通過時效處理使其獲得良好的組織進而提升力學性能。

GH4282合金中M23C6型碳化物的固相轉變溫度約為1060 ℃[16],低于該溫度時M23C6型碳化物開始析出。晶界碳化物可分為不連續型、半連續型和連續型。不連續型的碳化物所占比例較小,合金中主要是半連續型和連續型的碳化物。半連續碳化物可緩解晶界區域的應力,提高合金韌性。連續型碳化物將導致晶界脆性升高,降低合金塑性[17-18]。990～1130 ℃一次時效后GH4282合金晶界處生成半連續、顆粒狀分布的碳化物,能夠有效阻礙晶界滑移,提高晶界強度。由圖1和圖2可知,990～1030 ℃時效處理后,GH4282合金絲材晶粒尺寸、晶界碳化物尺寸和數量基本一致,故時效后絲材的室溫拉伸性能基本一致。

3.2 γ′相對合金絲材力學性能的影響

GH4282合金是時效強化型合金,γ′相的含量及尺寸對其力學性能影響較大[19]。GH4282合金絲材室溫和900 ℃抗拉強度隨一次時效溫度升高呈降低趨勢,這是由于γ′相尺寸增大、數量減少,對位錯的阻礙作用減小,合金強度降低。符銳等[20]研究了GH4282合金長期時效組織,800 ℃以下時效3000 h后,γ′相仍為球形,均勻細小的分布在基體中,說明在800 ℃以下溫度時效時GH4282合金γ′相較穩定,能起到很好的強化作用。時效溫度升高對GH4282合金中γ′相尺寸與數量影響較大,特別是升高至900 ℃以上時,γ′相尺寸急劇增大,由20 nm增大至100 nm,且數量急劇減少,導致合金絲材室溫和900 ℃抗拉強度急劇降低。γ′相在較高溫度下生長速率較高但析出動力學較低,因此隨著時效溫度的升高,γ′相的尺寸增大而析出數量減少[21]。

GH4282合金絲材二次時效后出現了兩種尺寸的γ′相。董建新[22]研究了固溶溫度對GH4738合金γ′相的影響,得出固溶溫度低會導致大小兩種γ′相出現的結論。故GH4282合金時效后出現兩種γ′相的原因是采用的固溶溫度略低于標準固溶溫度。

4 結論

1)990～1030 ℃一次時效處理后GH4282合金絲材室溫拉伸性能基本一致,這是由于在該溫度范圍內時效處理時晶粒尺寸、析出碳化物尺寸和數量基本相同。

2)788～850 ℃二次時效處理后GH4282合金絲材具有較高的室溫和高溫拉伸強度,隨著二次時效溫度繼續升高,室溫和高溫拉伸強度急劇降。

3)二次時效溫度由788 ℃升高到900 ℃時,小γ′相尺寸由20 nm增大到約100 nm,大γ′相尺寸由100 nm增大到約300 nm;溫度繼續升高到950 ℃時,小γ′相完全回溶,大γ′相數量明顯減少。

4)時效工藝可調控GH4282合金絲材的強化相的析出,進而提高合金絲材室溫和高溫拉伸強度。