GH2132高溫合金螺栓開裂成因分析

陳 軍 強(qiáng)錦霖 朱立堅(jiān) 王 勇 趙智泉

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GH2132高溫合金螺栓開裂成因分析

陳 軍 強(qiáng)錦霖 朱立堅(jiān) 王 勇 趙智泉

（上海航天動力技術(shù)研究所，上海 201109）

GH2132高溫合金螺栓在加工完成后出現(xiàn)了開裂的現(xiàn)象。通過對裂紋的形貌和周邊組織觀察，以及螺栓的整個(gè)加工工藝流程復(fù)查，排除了原材料及機(jī)械加工環(huán)節(jié)會造成螺栓開裂的可能。確定了螺栓開裂的原因可能是高溫合金鋼熱處理不充分所致，并通過驗(yàn)證試驗(yàn)證實(shí)。在確定螺栓開裂的原因后，制定了高溫合金圓鋼在熱處理過程中的裝爐量和裝爐方式的預(yù)防措施避免此類問題再次發(fā)生。

GH2132；高溫合金；螺栓；開裂

1 引言

GH2132(0Cr15Ni26MoVTi2B)是一種時(shí)效硬化型鐵基高溫合金，以Fe-25Ni-15Cr為基體，用少量的鉬、鈦、鋁、釩和微量硼等元素綜合強(qiáng)化而得，在650℃以下具有高的屈服強(qiáng)度和持久、蠕變強(qiáng)度，并有好的加工塑性和可焊性，因此常被用于航空緊固件等[1～3]。該材料主要用于作螺釘、螺栓等緊固件，廣泛用于各種固體火箭發(fā)動機(jī)上。某個(gè)批次的GH2132高溫合金螺栓在加工完后檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，有近24%的產(chǎn)品存在不同程度的開裂現(xiàn)象。

為徹底查清該現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，對裂紋的微觀形貌進(jìn)行觀察，并復(fù)查螺栓加工的整個(gè)工藝流程，來確定導(dǎo)致螺栓開裂的原因和出現(xiàn)的環(huán)節(jié)，再通過驗(yàn)證試驗(yàn)證實(shí)，最后制定預(yù)防措施避免該現(xiàn)象重復(fù)出現(xiàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 裂紋形貌觀察

圖1 裂紋微觀形貌

圖2 裂紋兩側(cè)微觀組織

通過對裂紋宏觀觀察分析，發(fā)現(xiàn)螺栓的螺紋部分?jǐn)嗫诔事菪隣钏毫眩輻U部分?jǐn)嗫诔士v向撕裂，裂紋從螺紋末端向螺桿方向擴(kuò)展，斷口為暗灰色，斷口邊緣有塑性變形。取螺栓開裂部分鑲嵌、磨拋、浸蝕，在金相顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)裂紋沿晶開裂，裂紋中有黑色氧化物，主裂紋兩側(cè)存在細(xì)小微裂紋，見圖1。裂紋兩側(cè)其余部分組織正常，為Fe-Ni馬氏體+沉淀強(qiáng)化相，見圖2。

2.2 螺栓加工工藝流程復(fù)查

該螺栓采用規(guī)格6mm×250mm的高溫合金冷拉圓鋼進(jìn)行加工，其加工的整個(gè)工藝流程為：下料→熱處理→車→鉗→終檢→入庫。通過對上述生產(chǎn)流程的分析，車、鉗等機(jī)械加工環(huán)節(jié)均不存在造成螺栓開裂的可能。因此，對原材料、熱處理等方面進(jìn)行了復(fù)查。

通過對該批原材料的入所復(fù)驗(yàn)情況（包括：質(zhì)量證明書如表1所示、化學(xué)分析報(bào)告如表2所示、高倍試驗(yàn)報(bào)告如表3所示）進(jìn)行復(fù)查，該批高溫合金圓鋼的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，因此排除了原材料的因素導(dǎo)致螺栓開裂的可能。

表1 質(zhì)量證明書

表2 化學(xué)分析報(bào)告

表3 高倍試驗(yàn)報(bào)告

通過對該批高溫合金圓鋼的熱處理工序復(fù)查，發(fā)現(xiàn)該批高溫合金圓鋼的熱處理制度及操作過程與以往一致，不存在異常現(xiàn)象。但是，該批次螺栓的下料數(shù)量比以往多，且采用鐵絲將這些棒料串起，捆扎一起放入爐中進(jìn)行熱處理的裝爐方式，可能會導(dǎo)致捆扎在中心位置的高溫合金圓鋼沒有達(dá)到熱處理效果。

3 分析與討論

3.1 機(jī)理分析

該批高溫合金圓鋼采用的熱處理制度為固溶+時(shí)效。熱處理過程具體的工藝參數(shù)為：固溶處理：隨爐升溫至（980±10）℃，保溫60min，保溫結(jié)束后油冷；時(shí)效處理：隨爐升溫至（720±10）℃，保溫16h，保溫結(jié)束后出爐空冷。GH2132高溫合金螺栓開裂的原因可能是高溫合金鋼熱處理不充分所致，而高溫合金圓鋼沒有達(dá)到熱處理效果的原因有以下兩點(diǎn)：

a. 固溶處理加熱時(shí)裝爐量過大

GH2132高溫合金固溶處理前的組織為γ+γ′+Ti(C、N)+M3B2。固溶處理的主要目的是使γ′完全溶于γ之中，并獲得適當(dāng)晶粒度的γ，因此，采用固溶處理會促使析出相γ′溶解，晶粒尺寸更為均勻。由于GH2132材料中合金元素多，導(dǎo)熱性差，組織轉(zhuǎn)變緩慢，需要加熱保溫時(shí)間長。如果固溶處理加熱時(shí)裝爐量較大，且是捆扎于爐中，會致使在規(guī)定的工藝時(shí)間范圍內(nèi)，捆扎在中間位置的高溫合金圓鋼并沒達(dá)到固溶處理溫度或者是保溫時(shí)間不足，造成γ′相未完全溶于γ相之中，組織轉(zhuǎn)變不充分。

b. 時(shí)效處理時(shí)裝爐量過大

在時(shí)效處理過程中，GH2132合金中強(qiáng)化相γ′開始析出并長大。GH2132高溫合金時(shí)效的目的是使已固溶于γ中的γ′強(qiáng)化相以極微小的10～20nm細(xì)顆粒狀析出并均勻地分布在γ基體上，γ與γ′形成共格，使合金達(dá)到最大的強(qiáng)化效果。由于固溶處理時(shí)中間位置的高溫合金圓鋼加熱不足，再加上時(shí)效處理時(shí)裝爐量過大（同固溶處理時(shí)裝爐量），在時(shí)效處理時(shí)捆扎在中心位置的高溫合金圓鋼保溫時(shí)間仍明顯不足，使γ′相的析出量和分布狀態(tài)達(dá)不到要求[4，5]。

3.2 驗(yàn)證試驗(yàn)

取18根同規(guī)格同批次的高溫合金圓鋼，在熱處理工序前對這18根高溫合金圓鋼進(jìn)行磁粉探傷，確保其表面沒有裂紋存在，再采用相同的熱處理制度捆扎在一起進(jìn)行熱處理操作。在熱處理完成后，再次對該18根高溫合金圓鋼進(jìn)行磁粉探傷，發(fā)現(xiàn)放置在中間位置的5根高溫合金圓鋼表面出現(xiàn)了輕微的裂紋缺陷。這個(gè)驗(yàn)證試驗(yàn)證實(shí)了高溫合金圓鋼熱處理不充分是導(dǎo)致GH2132高溫合金螺栓開裂的原因。

3.3 預(yù)防措施

根據(jù)現(xiàn)有高溫箱式爐的規(guī)格大小，規(guī)定在進(jìn)行6mm規(guī)格的高溫合金圓鋼熱處理過程時(shí)每爐熱處理的數(shù)量不得超過40根，且在裝爐時(shí)高溫合金圓鋼不得捆扎、疊放，需單層平鋪在爐底板上。

4 結(jié)束語

通過對裂紋的微觀形貌進(jìn)行的觀察分析以及GH2132高溫合金螺栓加工流程的復(fù)查，找出了螺栓開裂的原因是高溫合金圓鋼熱處理不充分導(dǎo)致，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，采取了規(guī)定高溫合金圓鋼熱處理過程中的裝爐量和裝爐方式預(yù)防此類問題的再次發(fā)生。

1 華國強(qiáng). 材料手冊（金屬）[M]. 上海：中國科技集團(tuán)公司第八研究院，2007

2 師昌緒. 中國高溫合金手冊[M]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012

3 秦鶴勇. 優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)GH2132合金的形變強(qiáng)化和熱處理制度研究[J]. 鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2011(23)：44～47

4 孫守功. GH2132高溫合金熱處理后硬度低的原因分析[J]. 金屬熱處理，1999(12)：32～33

5 邰清安. 熱處理制度對GH2132合金組織性能的影響[J]. 材料熱處理學(xué)報(bào)，2015(2)：56～59

Causes for Crack of GH2132 High Temperature Alloy Bolt

Chen Jun Qiang Jinlin Zhu Lijian Wang Yong Zhao Zhiquan

(Shanghai Space Propulsion Technology Research Institute, Shanghai 201109)

The crack was present in bolt of GH2132 high temperature alloy after processing. In this paper, after studied the crack morphology and surrounding tissue, rechecked the whole processing for the bolt at the same time, the possibility reason might cause the bolt crack occurred for the raw material and machinery processing were excluded. The final reason might be the insufficient heat treatment of the raw material and the result was verified through repeated experiments. After confirmed the root cause for the bolt crack, the charging batch and charging mode within the heat treatment of high temperature alloy was re-made to prevent this defect to happen again.

GH2132；high temperature alloy；bolt；crack

陳軍（1984），工程師，材料加工專業(yè)；研究方向：固體火箭發(fā)動機(jī)型號及金工工藝。

2017-08-15