時效制度對A286性能的影響

葉文君，胡隆偉，歐陽建文，鄒剛

高溫合金又稱熱強合金、耐熱合金或超合金，它是可以在600～1100℃氧化和燃氣腐蝕條件下承受復雜應力、長期可靠工作的一類金屬材料。高溫合金廣泛應用于燃氣渦輪發動機熱端關鍵部件，如渦輪盤、渦輪工作葉片、渦輪導向葉片、燃燒室和加力燃燒室的緊固件等。

高溫合金大體上可分為固溶強化型和沉淀硬化型兩種。其中，A286是目前使用最廣泛的一類鐵基沉淀硬化型高溫合金，其可在700℃以下保持較高強度，同時在815℃以下仍具有較高的抗氧化性。該牌號一般在固溶加時效狀態下使用，時效制度決定了主強化相γ'相[Ni3(Al，Ti)]的形態以及在基體中的分布情況，進而決定材料的各項力學性能。本文主要研究了幾種不同的時效工藝對合金性能的影響。

1.試驗

本試驗原材料為真空感應、真空自耗電極重熔生產的A286進口高溫合金絲材，規格為φ4mm。其合金化學成分見表1，等同于國內材料GH2132。

試驗使用的設備有真空氣淬爐、箱式電阻爐、數控車床、數控無心磨床、數控滾絲機、數顯維氏硬度計、金相試樣壓片機、三思萬能電子試驗機、德國萊卡DMI5000M金相顯微鏡等。

所有試驗材料統一在982℃進行固溶處理，固溶后按表2所列試驗方案進行時效。其中，720℃首段時效使用真空氣淬爐，后續時效全部使用箱式電阻爐，材料用硅砂保護。每組方案后一段時效溫度總比前一段時效溫度低，詳見表2。

試驗結束后各組材料均制造規格為MJ4的螺釘以及金相硬度試樣，測試不同時效制度下材料各項力學性能，并觀察不同時效制度下合金的金相組織。

2.試驗結果和分析

（1）試驗結果 不同時效制度下材料抗拉強度和硬度值見表3，硬度試驗每個試樣打三點取平均值。通過對表中數據進行比較，可以看出：I組進行一段時效的合金強度、硬度比所有多段時效后的合金強度、硬度都低；對Ⅰ組、Ⅱ組、Ⅳ組、Ⅵ組進行對比，可看出隨著時效段數的增加，合金的強度、硬度都隨著時效段數的增加而提高，而對Ⅰ組、Ⅲ組、Ⅴ組進行對比，同樣可以發現這個趨勢；對Ⅱ組、Ⅲ組的數據或對Ⅳ組、Ⅴ組的數據進行對比，可發現當使用較低的時效溫度時，可獲得較高強度、硬度；對比Ⅲ組和Ⅳ組數據可看出，采用720℃+650℃兩段時效制度，合金強度高于采用720℃+680℃+650℃三段時效制度，應注意Ⅲ組第二段時效溫度比Ⅳ組低，同時參考Ⅴ組和Ⅵ組數據，可發現類似的結果，即第二段時效選用650℃的三段時效制度，合金強度高于第二段選用680℃的四段時效制度。

表1 A286合金化學成分（質量分數） （%）

表2 試驗方案

為便于觀察合金強度、硬度的變化趨勢，現將表3數據作圖比較，如圖1所示，720℃一段時效，合金強度、硬度均為最小值，對于強度值而言，二段時效強度比一段時效提升較多，二段以后隨著時效段數增加，強度值提升趨于緩慢，且隨著時效溫度提高，強度值有下降趨勢；對于硬度值而言，一段及二段時效制度硬度值提升較少，二段到三段提升較大，三段以后趨于平穩，且采用較低時效溫度可獲得較高硬度。

A286作為高溫合金材料，主要在高溫環境下，為測試時效制度對材料高溫性能的影響，每組試樣取3件按技術標準進行了高溫持久試驗。試驗樣本為MJ4規格的螺釘，螺紋應力面積為9.517mm2，施加約450MPa的應力，即4.28kN的載荷，樣本在（650±2）℃溫度下保持受載，試驗結果見表4。從表中可見所有試樣在23h內均未發生斷裂，符合相關技術標準的規定，說明多段時效制度對合金高溫持久性能沒有不利影響。

產品有時會在交變軸向載荷或復雜循環應力下工作，因此還進行了疲勞性能試驗。疲勞試驗參數按照產品通用技術條件要求，每組試樣取3件進行。具體參數為：高載3.5kN，低載0.35kN，進行拉-拉疲勞試驗，試驗頻率100Hz以下，試驗結果見表5。技術標準規定平均循環次數應達到65000次，且單件至少達到45000次。本次疲勞試驗為節約成本，進行至70000次后直接停止，所有試樣在70000次循環后均未破壞，證明疲勞性能均合格，多段時效不影響疲勞性能。

觀察Ⅰ組、Ⅱ組、Ⅳ組、Ⅵ組熱處理試樣的金相組織，如圖2所示。圖2a～圖2d分別是上述四組試樣放大100倍后的組織，經過與標準晶粒度評級圖進行對比，四組試樣的晶粒度都在6～7級。由此可以看出，時效制度對合金晶粒度并無明顯影響。

（2）分析討論 A286是一種典型的沉淀硬化型高溫合金，主要通過時效在γ基體中析出γ'相[Ni3(Al，Ti)]進行強化，時效析出過程是連續析出，γ′相在合金基體中呈球狀均勻彌散分布，其開始析出溫度在600℃左右，在700～730℃析出最多，因此相關標準規定的第一段時效溫度都在720℃。由于時效時間較短，同時試驗用絲材經入廠復驗，化學成分合格，因此判別系數ΔNV′＞0，合金中無η相和σ相出現，另根據圖2可知，晶粒度受時效制度影響也不大，因此判斷合金強度主要由γ′相形態影響。

圖1 不同時效制度下合金的強度硬度

表3 各組試樣抗拉強度對比

表4 高溫持久試驗結果

表5 疲勞試驗結果

γ'相在合金中隨著時效溫度的提高會逐漸長大，γ′相的長大趨勢如圖3所示。γ′相的尺寸對溫度很敏感，在500℃～650℃區間內長大較緩慢；從700℃開始，其長大速度開始明顯增加；到800℃，γ′相的尺寸已達到90～100nm。因此，在上述試驗方案中，僅采用720℃一段時效，得到尺寸較大的γ′相，而后續的680℃、650℃、630℃時效則會補充析出一些尺寸較小的γ′相，補充時效的段數越多，則析出的沉淀強化相也就越多，因此強化效果也就越明顯，合金強度越高，而時效溫度較低時，析出的強化相尺寸則較小。

根據合金的沉淀強化機理，第二相對位錯的阻礙作用有繞過機制和切過機制。A286時效后強度一般都在1100MPa以上，第二相主要通過繞過機制進行強化，即位錯繞過第二相質點，在第二相顆粒周圍留下位錯環，位錯被阻礙，進而提高合金強度。根據位錯理論，位錯彎曲至半徑R時所需剪切應力為τ=Gb/2R，其中G為剪切模量，b為伯氏矢量，當R為顆粒間距λ的一半時，所需剪切應力最小，即τ=Gb/λ。可見，繞過機制顆粒的強化與顆粒間距成反比，顆粒越多、越細，則強化效果越好，再結合圖3，低溫時效情況下第二相顆粒更細，這就解釋了在較低溫度下時效合金強度高的現象。

3.結語

（1）A286高溫合金采用多段時效，可有效增加γ基體中主強化相γ′相含量，提高高溫合金強度和硬度。

（2）在時效段數相同的情況下，采用較低的時效溫度，可獲得更加細小而彌散的第二相顆粒，獲得更好的強化效果。

（3）時效段數的增加對合金硬度的提升比對合金強度的提升更明顯，合金強度對時效溫度更敏感一些。

（4）時效溫度和段數對高溫合金的晶粒度影響不明顯，同時對合金的疲勞和高溫持久性能不會產生不利影響。

（5）增加時效段數、降低后續時效溫度也可作為高溫合金生產中，彌補產品強度不合格的補救措施。

圖2 I、II、IV、VI組熱處理制度處理后合金金相組織

圖3 γ′相的長大趨勢