鉬合金配氣閥體材料性能分析及改進措施

鮑海閣, 童法松, 王天瀟

(海軍駐鞍山鋼鐵集團公司 軍事代表室, 遼寧 鞍山, 114009)

鉬合金配氣閥體材料性能分析及改進措施

鮑海閣, 童法松, 王天瀟

(海軍駐鞍山鋼鐵集團公司 軍事代表室, 遼寧 鞍山, 114009)

針對國內配氣閥體易發生開裂問題, 通過化學分析、顯微組織觀察及拉伸性能比較, 介紹了國內外鉬合金配氣閥體材料的研究現狀, 對其成分、冶金方法和塑性成型等相關工藝進行了綜合分析, 提出了在真空熔煉方法基礎上利用電子束提純方法, 通過擠壓開坯和多步鍛造等措施, 能夠滿足工程試車要求, 可以有效改善鉬合金配氣閥體的材料性能。

配氣閥體; 鉬合金; 顯微組織; 拉伸性能

0 引言

魚雷熱動力系統主要采用活塞發動機, 配氣閥體作為其核心部件之一, 是連接燃燒室和氣缸并按照一定要求給氣缸配氣的重要裝置。閥體在熱源和海水頻繁的交替作用情況下, 存在很大溫度梯度(100～850℃), 從而在基體中產生相當大的熱應力, 同時進氣孔部位由于氣流沖刷在徑向上產生較大載荷, 各種應力的疊加使高速轉動的閥體工作環境非常惡劣, 因此對閥體材料要求非常嚴格。鉬合金具有良好的高溫強度、熱疲勞和耐腐蝕性能, 是閥體的最佳候選材料[1-3]。

在魚雷熱動力系統的試驗過程中, 曾多次發生配氣閥體開裂現象, 經分析, 這與鉬合金配氣閥體的制備工藝有至關重要的關系。本文通過對鉬合金材料的顯微組織與性能研究, 總結了國內外配氣閥體材料的成分、冶金、塑性成型以及熱處理工藝, 為提高閥體質量、發動機穩定性和壽命提供有力支持。

1 俄制閥體材料

俄羅斯魚雷動力裝置配氣閥體材料采用的鉬合金利用真空熔煉法制備。對其閥體材料進行化學分析, 其成分為工業純鉬, 具體成分如表 1所示。將俄制閥體沿縱向解剖, 進行低倍組織觀察(見圖1)。組織從邊緣到心部并不均勻, 越靠近邊緣組織越細小, 并且晶粒不是等軸的, 沿縱向有明顯的拉長, 基體流線全部呈纖維狀, 無任何部位出現折線, 這是沿縱向劇烈變形的結果, 變形量由邊緣向中心部位遞減。觀察其高倍顯微組織(見圖 2)發現, 縱向為長條狀變形組織, 局部有少許再結晶組織, 橫截面上組織大致為等軸晶粒。由此可判斷出, 鑄錠直接通過大擠壓比變形制備出閥體毛坯, 無后續鍛造環節, 最后采用了去應力熱處理。由于擠壓變形徑向不同部位的形變量不同, 芯部變形量小且變形熱不容易散失, 造成在閥體橫截面上各處取樣的顯微組織不盡相同。

表1 俄制閥體材料成分Table 1 Components of Russian pneumatic valve material

圖1 俄制閥體縱面解剖低倍組織Fig. 1 Macrostructure of Russian pneumatic valve material in longitudinal section

圖2 俄制閥體橫截面和縱剖面顯微組織Fig. 2 Microstructures of Russian pneumatic valve material in cross section and longitudinal section

分別沿俄制閥體縱向、橫向取樣進行室溫拉伸性能測試, 結果見表 2。測試結果顯示試樣強度總體不高, 且有一個橫向試樣脆斷。根據閥體的使用情況推斷, 由于在水冷的作用下, 閥體在使用過程中的溫度不會太高(＜850℃), 該組織應該與服役前的組織是一致的, 從而排除了環境造成的材料性能變化。因此, 長軸狀的晶粒是材料塑性明顯波動的主要原因, 顯微組織不均勻導致材料力學性能呈現各向異性。

表2 俄制閥體取樣室溫拉伸性能測試結果Table 2 Test results of tensile strength of Russian pneumatic valve material at room temperature

2 美制閥體材料

美制魚雷也采用熔煉法鉬合金制備配氣閥體,經電子探針在閥體基體 10個不同位置對元素進行定量分析, 結果表明, 除1, 2, 7點測出有少量Ti以外, 其他各點全部為 Mo, 化學分析結果表明合金含Zr 0.003%(見表3)。由上述分析結果判斷, 美制魚雷閥體所采用的鉬合金成分也為工業純鉬(美系牌號360), Ti, Zr添加量可以作為雜質考慮, 組織為再結晶細晶組織[1]。

表3 美制閥體基體電子探針定量分析結果Table 3 Quantitative analysis results of American pneumatic valve material by electron probe

3 國內閥體材料

3.1 粉末冶金法

國內研制配氣閥體初期, 閥體材料與美俄成分不同, 國產閥體材料的化學成分為典型的TZM鉬合金(見表4), 通過粉末冶金法制備, 而國外閥體材料多采用純鉬或低合金鉬合金, 通過熔煉法制備。觀察國產閥體顯微組織可以發現, 橫截面和縱剖面上晶粒都均勻細小(50～100 μm), 在軸向上通過擠壓變形晶粒被拉長, 由于Ti和Zr的加入,在顯微組織中出現大量彌散的TiC和ZrC質點(見圖3), 在基體起到增強作用[4-5]。

表4 國產閥體材料化學成分Table 4 Chemical composition of domestic pneumatic valve material

圖3 國產閥體橫截面和縱剖面顯微組織Fig. 3 Microstructures of domestic pneumatic valve in cross section and longitudinal section

同時在掃描電鏡下觀察可以發現,粉末冶金鉬合金基體中存在很多黑點(見圖 4a), 通過能譜分析表明, 大部分黑點是空洞, 另有一部分是尺寸約為20 μm的夾雜物(見圖4b), 這些夾雜物富含Ti和Zr(見圖5), 這就解釋了粉末冶金鉬合金密度為 9.7～9.9 g/cm3, 小于純鉬密度 10.2 g/cm3的原因, 從缺陷形態與成分來看, 顯然是材料制備過程中引入的, 這些缺陷在熱加工過程中無法消除, 成為永久缺陷。在使用過程中, 這些缺陷極易作為裂紋源, 在外力作用下導致閥體開裂失效, 甚至出現在加工過程中, 由內部應力的作用使閥體開裂, 另外, 材料內含有大量硬質點, 刀具磨損嚴重, 也給零件加工帶來了困難。

圖4 國產閥體材料掃描電鏡照片Fig. 4 Scanning electron microscope(SEM) photos of domestic pneumatic valve material

圖5 掃描電鏡下雜質能譜標定Fig. 5 Energy spectrum calibration of impurities under SEM

從表 5中可以看到, 國產閥體軸室溫抗拉強度很高, 但塑性在縱向和橫向上存在很大差別,縱向的延伸率很理想, 但是橫向的延伸率非常低,個別樣品的延伸率為零。

表5 國產閥體材料室溫拉伸性能測試結果Table 5 Test results of tensile strength of domestic pneumatic valve material at room temperature

分析結果表明, 粉末冶金鉬合金閥體由于自身工藝特點, 易造成基體中難以消除的孔洞、夾雜等缺陷, 導致材料致密度小于熔煉工藝制備的合金, 在宏觀變形的影響下孔洞會重新分布, 孔洞沿外力方向拉長, 垂直于外力的方向縮短, 使材料性能產生強烈的各向異性, 通常會使垂直主變形方向上的性能明顯變差。在加工過程中內應力釋放或者使用過程中外加載荷較高時, 容易發生開裂失效[6]。

3.2 真空熔煉法

鉬錠采用Mo1鉬條作電極, 經2次真空自耗或電子束熔煉制備。國產閥體材料的雜質含量對比俄羅斯閥體(見表6), 由于所用鉬條含碳量較高(0.076%), 使采用真空自耗熔煉的閥體材料含碳量也偏高, O和N的含量水平與俄羅斯閥體含量相當。利用近年來工業上采用的金屬熔煉新方法電子束熔煉, 轟擊固體的電子動能幾乎 100%轉化為熱能, 在金屬表面容易造成很大的過熱度,金屬可以長時間處于液體狀態, 雜質通過氣液相分界面金屬層擴散, 在 10–3～10–4Pa高真空條件下, 有利于低熔點雜質的排出, 提純效果好, 明顯優于二次真空自耗熔煉方法制備。采用上述 2種熔煉方法得到的鉬合金鑄錠, 其組織皆粗大,柱狀晶異常發達。因此采用在壓應力狀態下擠壓開坯后再鍛造成毛坯件, 隨后進行相應熱處理。

表6 國產與俄制閥體材料主要雜質含量對比Table 6 Contrast of main impurities contents between domestic and Russian pneumatic valve materials

通過擠壓開坯變形和初步軸向鍛造后, 觀察閥體橫截面和縱剖面的顯微組織(見圖 6)可以看到, 閥體橫截面上顯微組織比較均勻, 晶界較為模糊, 局部表現為再結晶組織; 縱向顯微組織與橫向有明顯不同, 整體組織呈纖維狀, 晶粒沿閥體的軸向明顯拉長, 晶粒尺寸在 50～500 μm 之間。沿橫向與縱向取樣進行室溫性能測試(見表7), 屈服強度和斷裂強度在縱向和橫向方向表現的比較一致, 但是延伸率差異較大, 縱向的延伸率大于 10%, 表現出很好的塑性, 而橫向上延伸率小于 5%, 呈現脆性特征。但相比粉末冶金法,橫向塑性有一定的提高。

通過擠壓開坯后的鉬合金棒材, 內部的晶體結構得到了很大程度上的改善, 但是通過上節分析可以看出, 擠壓態組織晶粒度分布差距懸殊,而且內部還存在著嚴重的各向異性, 得到的力學性能比較分散, 這些都制約著鉬合金閥體的使用。為了提高鉬合金材料性能, 需要對其進行進一步的變形, 通過鍛造獲得均勻的組織并穩定其性能。

圖6 國產閥體擠壓開坯后的顯微組織Fig. 6 Microstructure of domestic pneumatic valve material after extrusive breakdown

表7 國產閥體材料擠壓開坯后的室溫拉伸性能測試結果Table 7 Test results of room temperature tensile strength of domestic valve material after extrusive breakdown

鉬及鉬合金的鍛造溫度根據合金程度和尺寸規格的不同, 可以在900～1 500℃下鍛造變形, 擠壓態鉬合金鍛造時, 也必然會遇到金屬變形不均勻的問題。棒坯墩粗鍛造時, 組織不均勻性有所改善, 但是沿著棒材橫截面上仍然存在相當大的不均勻性, 因而對機械性能有嚴重的影響。

為了使鍛態的鉬合金獲得更均勻的組織和穩定的性能, 可以采用重復多次進行變形-再結晶的鍛造工藝。實際上實現多次加熱變形是極其復雜的工藝過程, 還要結合擠壓棒材顯微組織特點和閥體使用環境對鍛造工藝提出進一步要求。圖7為擠壓開坯后多次換向鍛造后的顯微組織形貌。其綜合性能表現明顯優于一次變形坯料性能(見表8)。

圖7 通過多步鍛造的閥體坯料顯微組織Fig. 7 Microstructure of multi-step forged semifinished valve

4 結束語

為了提高鉬合金配氣閥體整體性, 滿足魚雷的高航速、遠航程和大深度的要求, 須優化鉬合金成分和熔煉工藝, 控制雜質含量, 提高鑄錠純凈度, 采用擠壓開坯、多向鍛造來細化晶粒, 改善組織均勻性和降低各向異性, 提高閥體整體性能。

表8 多步鍛造成型樣品室溫拉伸性能Table 8 Room temperature tensile strength of multistep forged finished valve sample

研究了自耗熔煉和電子束熔煉2種工藝, 發現采用電子束熔煉方法提純效果明顯, 有利于原材料中的雜質(O, N, C)排出, 提高了鑄錠基體的本征塑性。改進了材料的熱加工工藝, 進行換向鍛造, 減弱了各向異性和改善組織的均勻性, 尤其加強橫向塑性, 提高閥體的薄弱環節。

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(責任編輯: 陳 曦)

Analysis on Properties of Molybdenum Alloy for Pneumatic Valve with Improvement Approaches

BAO Hai-ge, TONG Fa-song, WANG Tian-xiao
(Military Representative Office, Naval Armament Department Stationed in Anshan Iron and Steel Group Corporation, Anshan 114009, China)

Aiming at the crack problem in domestic pneumatic valves, both domestic and foreign molybdenum alloy pneumatic valves are compared in terms of chemical analysis, microstructure, and stretching performance. The components, metallurgies and plastic forming technologies of the molybdenum alloy in China and abroad are analyzed, and some improvement approaches are offered, such as adopting electron beam purification melting method after vacuum melting, and taking extrusive breakdown and multiple forging processes, which can meet the requirement of engineering test. These improvement approaches can improve the properties of molybdenum alloy for pneumatic valve.

pneumatic valve; molybdenum alloy; microstructure; stretching performance

TJ630.32

A

1673-1948(2014)02-0121-05

2013-11-18;

2013-12-25.

鮑海閣(1966-), 男, 高工, 研究方向為艦船材料性能.