緊固件用A286高溫合金AMS標準解讀與應(yīng)用

齊躍，萬志慧，余傳魁，張曉斌，唐偉，林忠亮

航天精工股份有限公司 天津 300300

1 序言

A286是Fe-25Ni-15Cr鐵基高溫合金，加入鉬、鈦、鋁、釩及微量硼元素綜合強化。在650℃以下具有較高的屈服強度和持久的高溫蠕變強度，并且具有較好的加工塑性和良好的焊接性能，適合制造在650℃以下長期工作的航空發(fā)動機高溫承力部件，如渦輪盤、壓氣機盤、轉(zhuǎn)子葉片和緊固件等。相近的材料牌號為我國的GH2132、法國的ZbNCT25等。

A286是美國牌號，常用的材料標準[1-6]主要有AMS 5731—2006等6項，不同的標準對應(yīng)的材料狀態(tài)、熱處理制度以及性能等級存在很大的差異，因此在使用時應(yīng)格外注意。

采用A286生產(chǎn)緊固件種類繁多，其主要產(chǎn)品集中在900MPa級的螺母、1100MPa級的HB系列螺栓、1300MPa級的NAS系列的高強度螺栓以及試驗芯棒等。由于A286的沉淀硬化作用與原材料的變形強化程度息息相關(guān)，所以根據(jù)不同產(chǎn)品的性能等級要求，需要在生產(chǎn)準備時注意選擇不同標準的原材料。而在實際生產(chǎn)中，經(jīng)常出現(xiàn)因工藝編制人員以及生產(chǎn)準備人員對標準理解不到位，引起產(chǎn)品性能不滿足技術(shù)條件要求而重新投產(chǎn)甚至報廢的情況。

為避免因為選材不當帶來的不必要麻煩和損失，本文主要針對A286合金的標準進行解讀，并結(jié)合實際生產(chǎn)應(yīng)用情況，對A286的選用給出材料專業(yè)方面的建議，希望對行業(yè)的技術(shù)發(fā)展起到促進作用。

2 A286標準概況

目前，常用的A286材料主要形式為棒材或線材，下面將常用的標準概況在表1中進行簡要匯總。

表1 進口材料A286標準概況

3 各標準推薦的熱處理制度

根據(jù)不同標準的要求，形成了對應(yīng)的熱處理工藝建議制度及其工藝，詳見表2。

表2 各標準對應(yīng)的熱處理制度及工藝

4 性能等級差異性分析

不同的材料標準，對材料的性能等級規(guī)定不同，常用的等級有900MPa級、1100MPa級和1300MPa級，對應(yīng)的標準要求在表3中列舉。

表3 A286熱處理后的力學(xué)性能

性能等級的差異，主要取決于材料在制備時選擇的拉拔工藝。不同性能等級的材料，對應(yīng)不同的拉拔量，即變形量。變形量越大，在材料中形成的孿晶數(shù)量越多。

研究表明[7]，A286為鐵基時效強化型高溫合金，合金經(jīng)過熱軋+固溶后，各種強化相和析出相都回溶到γ奧氏體基體中，表現(xiàn)出低強度高塑性。經(jīng)過時效后，合金力學(xué)性能發(fā)生顯著變化，抗拉強度、屈服強度迅速增加，伸長率、斷面收縮率迅速降低。這主要是因為合金在時效過程中，固溶于過飽和固溶體中的元素在γ基體上彌散均勻析出Ni3（Ti，Al） 型γ'相以及TiN或TiC等析出相，這些析出相在基體中阻礙位錯移動，起到了良好的強化作用，合金時效后，強度得到迅速提高。隨著時效時間的延長，合金組織形成不同數(shù)量的孿晶，使得合金在時效過程中抗拉強度、屈服強度先增加再降低，伸長率與斷面收縮率略有變化。孿晶數(shù)量越多，合金強度越高，這主要是因為孿晶阻礙位錯運動而起到強化作用，所以孿晶越細越多，其切割晶體的作用越顯著，金屬基體的強化程度也越高。由以上分析可以得出，合金在時效前期，沉淀硬化起主要作用；時效后期，沉淀硬化與孿晶共同作用起到強化作用。

變形孿晶界形成于合金的變形過程中，雖然在某些層錯能低的合金中，可以通過變形獲得含量很高的變形孿晶界，但由于其形成于變形過程中，合金中存在較大的應(yīng)變和應(yīng)力，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，而合金通常是熱處理后（應(yīng)力較低）才能應(yīng)用。另外，變形孿晶界之間間距細小，易在熱處理過程中因回復(fù)或再結(jié)晶而湮滅。也就是說，由于合金的變形組織降低了變形孿晶界的穩(wěn)定性，導(dǎo)致其含量難以控制，所以變形孿晶界在未解決其穩(wěn)定性之前難以得到有效的應(yīng)用。

由以上分析可以推斷，不同標準規(guī)定的服役條件不同的原因，即對于變形量較大的A286高溫合金而言，使用溫度相對變形量小的A286高溫合金略低，表1中的服役條件給出了很好的解釋。

5 不同標準材料應(yīng)用舉例及生產(chǎn)使用建議

5.1 性能等級的區(qū)分

1）當產(chǎn)品標準中的性能等級要求為900MPa級時，可以選擇AMS 5731—2006、AMS 5732—2006、AMS 5734—2006以及AMS 5737—2006四種標準的原材料。

2）當產(chǎn)品標準中的性能等級要求為1100MPa級時，可以選擇AMS 5853—2006標準的原材料。

3）當產(chǎn)品標準中的性能等級要求為1300MPa級時，可以選擇AMS 5726—2006標準的原材料。

5.2 同種性能等級狀態(tài)的區(qū)分

1）當產(chǎn)品選擇固溶狀態(tài)的材料標準時，在產(chǎn)品加工作業(yè)指導(dǎo)書編制時，需要熱處理時效工序。

2）當產(chǎn)品選擇固溶時效狀態(tài)的材料標準時，在產(chǎn)品的機加工作業(yè)指導(dǎo)書編制時，不需要熱處理時效工序。

5.3 使用實例

典型案例1：某型號抗剪型高鎖螺母產(chǎn)品，屬于純機加工產(chǎn)品，應(yīng)該優(yōu)先選擇AMS 5732—2006固溶時效狀態(tài)材料。但在實際的工藝編制中，如果選擇了AMS 5731—2006標準，則對應(yīng)的原材料為固溶態(tài)，這時就需要再對產(chǎn)品增加一道時效工序，這是完全沒有必要的。

典型案例2：某型號開槽螺栓產(chǎn)品，由于性能等級要求Rm≥1100MPa，因此只能選擇AMS 5853—2006和AMS 5726—2006，選擇其他標準的材料則無法滿足性能等級要求。如果產(chǎn)品技術(shù)條件要求強度或者硬度上限為1200MPa時，則不能選擇AMS 5726—2006標準的原材料。

5.4 選擇建議

在進行產(chǎn)品設(shè)計、工藝編制以及生產(chǎn)備料時，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品所需要達到的性能等級進行不同標準A286材料的選擇，詳見表4。

表4 A286材料選用建議