固溶冷卻方式對GH4220合金螺栓力學性能的影響

樊開倫，宋文俊，戴愛麗，余傳魁，裴烈勇，劉勇德，劉文成

（貴州航天精工制造有限公司，貴州 遵義 563000）

GH4220合金是我國仿制前蘇聯的XH51BMTЮKΦP-BД鎳基時效沉淀硬化型高溫合金[1]。合金以Ni為基體，添加約（質量分數，下同）11%Cr、15%Co、6%W、6%Mo、0.5%V作為固溶強化元素，4.5%Al、2.5%Ti作為時效強化元素，同時加入C、B、Ce、Mg作為微合金化元素。Cr是高溫合金中不可缺少的合金化元素，除了低膨脹高溫合金外，幾乎所有高溫合金中都含有金屬元素Cr。Cr溶入γ固溶體，引起晶格畸變，起到固溶強化作用，提高γ固溶體的強度，此外Cr的另一個十分重要的作用，就是形成Cr2O3氧化膜，使高溫合金具有良好的抗氧化和抗腐蝕性能，且Cr含量越高，抗氧化性越好；鎳基合金中加入Co，引起固溶強化，提高基體的強度，同時使合金的蠕變速率降低，從而提高合金的高溫力學性能。另外，Co在高溫合金中具有優異的抗熱腐蝕性能和抗熱疲勞性能，使合金的使用溫度及高溫性能得以進一步提高；W、Mo也是高溫合金中常用的固溶強化元素，由于W、Mo的原子半徑大于Ni，添加W、Mo會引起晶格明顯膨脹，形成較大的長程應力場，阻止位錯運動，使合金屈服強度明顯提高。另外W加入高溫合金后，除了約有一半溶于γ固溶體引起固溶強化外，另一半溶入了γ′強化相，起時效強化作用；V的原子半徑比Ni大，所以加入V后同樣能提高基體的強度，同時V具有細化合金晶粒的作用，改善了合金的熱加工工藝塑性。GH4220合金中加入高溫合金中常用而價格又便宜的Al、Ti作為時效強化元素，形成γ′強化相，提高合金的強度[2]；C、B、Ce、Mg作為微合金化元素，提高了晶界的結合力，起強化晶界的作用。通過提高晶界的結合力，可提高合金在高溫條件下的力學性能。

GH4220合金成分的優異，決定了合金具有較高的使用溫度以及在高溫條件下具備優異的力學性能[3-4]。所以，該材料成為制造在950℃以下工作的航空發動機渦輪工作葉片、緊固件等零部件的優先選用材料。以航空發動機用GH4220合金螺栓為例，其技術要求為：950℃高溫抗拉強度≥490 MPa；應力持久性能保持40 h不斷（940℃加載215 MPa）；室溫抗拉強度≥1000 MPa。

但是，在GH4220合金螺栓的生產過程中，因存在合金在冶煉過程中爐批次間的成分含量波動，合金元素偏析，雜質元素的數量、種類、大小、形狀不同，以及合金熱變形工藝等因素的不同，導致螺栓按標準熱處理制度進行熱處理后，室溫抗拉強度、高溫抗拉強度和應力持久性能往往不能滿足螺栓技術條件的要求。

對GH4220高溫合金的組織演變至關重要的熱處理工藝被研究者廣泛關注[5-7]，相比于標準熱處理制度后獲得的平直晶界形態，研究者發現可以通過熱處理獲得GH4220合金的彎曲晶界，并且對合金的性能有較大的改善作用[8-10]。本文以GH4220合金螺栓為研究對象，在保持GH4220合金的標準熱處理制度即固溶和時效的溫度、時間參數不變的情況下，在生產實際中，反復摸索，通過調整1220℃固溶處理冷卻階段的冷方式，將標準熱處理制度的空冷改為緩慢冷卻（24 min冷卻至1100℃保溫1 min，之后空冷），將晶界形態由平直晶界變為彎曲晶界，從而提高GH4220合金螺栓的力學性能。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本次試驗原材料按照GJB 1953A—2008《航空發動機轉動件用高溫合金熱軋棒材規范》執行，GH4220合金化學成分見表1。

表1 GH4220合金的化學成分（質量分數，%）Table 1 Chemical composition of the GH4220 alloy（mass fraction，%）

1.2 試驗設備

螺栓頭部采用WH-VⅢ-50感應加熱設備進行感應加熱、紅外溫度在線監測系統進行測溫、160 t雙盤摩擦壓力機進行熱鐓成形。固溶、時效設備均采用可自動控制冷卻速度同時具備空冷能力的WZC-30型真空油淬爐。室溫拉伸試驗采用CMT5505微機控制電子萬能試驗機，950℃高溫拉伸試驗采用CMT5205微機控制電子萬能試驗機，940℃應力持久性能試驗采用GWT2105高溫蠕變持久強度試驗機。微觀組織觀察采用蔡司SUPRA40場發射掃描電鏡。

1.3 試驗方案及方法

螺栓加工工藝流程：潤滑→熱鐓→清洗→固溶（兩次固溶）→機械加工→螺紋滾壓成形→時效。GH4220合金螺栓的標準熱處理和緩慢冷卻熱處理工藝見表2。

表2 GH4220合金螺栓的熱處理工藝Table 2 Heat treatment processes of the GH4220 alloy bolts

螺栓螺紋規格為MJ12 mm×1.25 mm，示意圖如圖1所示。并分別各取5件螺栓進行室溫拉伸試驗、高溫拉伸試驗和高溫應力持久試驗。

圖1 GH4220合金螺栓示意圖Fig.1 Schematic diagram of GH4220 alloy bolt

2 試驗結果

圖2（a，b）分別為標準熱處理、緩慢冷卻熱處理后GH4220合金的晶界形貌圖。可以看出標準熱處理后GH4220合金的晶界較為平直，而經過緩慢冷卻熱處理制度的晶界呈彎曲狀態，與標準熱處理制度的試樣相比，晶界平直的特征消失，晶界形態類似鋸齒狀。這種鋸齒狀的彎曲晶界是高溫緩冷過程中晶界析出第二相和位向與界面能綜合作用的結果[10]。

圖2 不同熱處理制度下GH4220合金的晶界形貌Fig.2 Grain boundary morphologies of the GH4220 alloy under different heat treatment regimes

表3為不同熱處理制度下GH4220合金螺栓的室溫拉伸強度。可以看到，標準熱處理后螺栓的室溫抗拉強度為990～1015 MPa，平均1004 MPa。緩慢冷卻熱處理后的螺栓室溫抗拉強度為1130～1150 MPa，平均1143 MPa，滿足了室溫拉伸強度大于等于1000 MPa的技術要求。緩慢冷卻熱處理后的螺栓比標準熱處理后抗拉強度平均提高了139 MPa，室溫抗拉強度提高幅度為13.8%。

表3 不同熱處理制度下GH4220合金的室溫抗拉強度Table 3 Tensile strength at room temperature of the GH4220 alloy under different heat treatment regimes

表4為不同熱處理制度下GH4220合金螺栓在950℃時的高溫抗拉強度。從表4可知，標準熱處理后螺栓在950℃時的高溫抗拉強度為475～480 MPa，平均478 MPa。緩慢冷卻熱處理后螺栓的高溫抗拉強度為527～539 MPa，平均532 MPa，滿足950℃高溫抗拉強度大于等于490 MPa的技術要求。緩慢冷卻熱處理后的螺栓比標準熱處理后，高溫抗拉強度平均提高了54 MPa，提高幅度為11.3%。

表4 不同熱處理制度下GH4220合金在950℃時的高溫抗拉強度Table 4 High temperature tensile strength at 950℃of the GH4220 alloy under different heat treatment regimes

表5為不同熱處理制度下，螺栓在940℃加載215 MPa下的應力持久時間。從表5可知，標準熱處理后螺栓的應力持久時間為37.9～38.5 h，平均持久時間為38.2 h。緩慢冷卻熱處理后螺栓的應力持久時間為50.5～52.7 h，平均高溫應力持久時間為51.7 h。緩慢冷卻熱處理后螺栓比標準熱處理的高溫應力持久時間平均提高了13.5 h，提高幅度達35%。

表5 不同熱處理制度下GH4220合金螺栓應力持久時間（940℃加載215 MPa）Table 5 Stress duration time of the GH4220 alloy bolt under different heat treatment regimes（940℃loading 215 MPa）

綜上所述，僅通過改變GH4220合金螺栓標準熱處理第一階段固溶處理的冷卻速度就可以實現對晶界形態的調控，并且在該彎曲晶界形態下，試樣的室溫拉伸強度、高溫拉伸強度以及高溫應力持久時間得到一定的提高，尤其是高溫應力持久時間。

3 分析與討論

γ′相是GH4220合金中主要的強化相[11]，按標準熱處理制度和緩慢冷卻熱處理制度處理后（見圖2），雖然合金中γ′相的總量相同，都在42%～45%，不同的是，緩慢冷卻熱處理制度有尺寸不同的γ′相，使γ′相質點的間距變小，而小γ′相彌散分布在大γ′相之間對位錯運動的阻礙作用更大。因此，彎曲晶界在提高晶界強度的同時，也改善了晶內強度，使晶界強度和晶內強度得以最佳配合，從而使高溫合金的強度得以提高，包括室溫及高溫瞬時抗拉強度和高溫持久強度。另外彎曲晶界可有效推遲裂紋的形成和降低裂紋的擴展，從而改善力學性能[12]。高溫合金在高溫的斷裂往往垂直于主應軸的晶界上[13-14]，對平直晶界往往在晶粒的三岔點處萌生，多為楔形裂紋，而彎曲晶界的裂紋萌生要比平直晶界困難得多，因為晶界滑動是高溫裂紋形核的主要控制因素，而彎曲晶界可有效阻止晶界滑動，因而推遲了晶界孔洞裂紋的形成。同時彎曲晶界最重要的作用之一就是可以有效阻止或推遲裂紋的擴展，裂紋一旦萌生后出現的每一條微裂紋，由于其位向不同，而局限于彎曲晶界分段的較短單元范圍內，與鄰近裂紋彼此隔開，故能阻止或推遲裂紋的擴展。此外，彎曲晶界上微裂紋端部在擴展過程中遇到塑性較高的晶粒變形而鈍化，晶內區域的應力集中也因變形而得到松弛。這樣就有效降低了裂紋的擴展速率，推遲了大尺寸晶界裂紋的形成，故晶界為彎曲晶界的試樣具備更高的高溫應力持久時間。

通過調節GH4220合金的固溶冷卻速度，可改變合金的晶界形態。通過獲得彎曲晶界，成功解決了GH4220合金螺栓按標準熱處理制度進行熱處理后，室溫抗拉強度、高溫抗拉強度和高溫持久性能不能滿足技術條件的難題。因此，緩慢冷卻熱處理制度在航空發動機GH4220合金螺栓的熱處理領域值得推廣。

4 結論

本文以GH4220合金螺栓為研究對象，在保持其標準熱處理制度（兩段固溶+時效）中固溶、時效處理的溫度、時間等參數不變的情況下，將GH4220合金螺栓第一階段固溶處理后的空冷改為緩慢冷卻（24 min冷卻至1100℃保溫1 min，之后空冷），主要獲得以下兩點結論：

1）高溫緩慢冷卻條件下，成功獲得了彎曲晶界，晶界形態由標準熱處理制度下的平直晶界變為鋸齒狀的彎曲晶界。

2）緩慢冷卻熱處理制度下獲得的彎曲晶界有效提升了晶界、晶內強度，可推遲裂紋的形成和降低裂紋的擴展速率，提高了GH4220合金螺栓的室溫及高溫瞬時抗拉強度，延長了高溫應力持久時間（13.5 h）。