高溫合金又稱熱強(qiáng)合金、耐熱合金或超合金,它是可以在600~1100℃氧化和燃?xì)飧g條件下承受復(fù)雜應(yīng)力、長期可靠工作的一類金屬材料。高溫合金廣泛應(yīng)用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)熱端關(guān)鍵部件,如渦輪盤、渦輪工作葉片、渦輪導(dǎo)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(qiáng)化型和沉淀硬化型兩種。其中,A286是目前使用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(qiáng)度，同時(shí)在815℃以下仍具有較高的抗氧化性。該牌號一般在固溶加時(shí)效狀態(tài)下使用,時(shí)效制度決定了主強(qiáng)化相v'相[Ni,(Al，Ti)]的形態(tài)以及在基體中的分布情況，進(jìn)而決定材料的各項(xiàng)力學(xué)性能。本文主要研究了幾種不同的時(shí)效工藝對合金性能的影響。

1.試驗(yàn)

本試驗(yàn)原材料為真空感應(yīng)、真空自耗電極重熔生產(chǎn)的A286進(jìn)口高溫合金絲材,規(guī)格為4mm。其合金化學(xué)成分見表1，等同于國內(nèi)材料GH2132。試驗(yàn)使用的設(shè)備有真空氣淬爐、箱式電阻爐、數(shù)控車床、數(shù)控?zé)o心磨床、數(shù)控滾絲機(jī)、數(shù)顯維氏硬度計(jì)、金相試樣壓片機(jī)、三思萬能電子試驗(yàn)機(jī)、德國萊卡DMI500OM金相顯微鏡等。

所有試驗(yàn)材料統(tǒng)一在982℃進(jìn)行固溶處理,固溶后按表2所列試驗(yàn)方案進(jìn)行時(shí)效。其中，720℃首段時(shí)效使用真空氣淬爐，后續(xù)時(shí)效全部使用箱式電阻爐，材料用硅砂保護(hù)。每組方案后一段時(shí)效溫度總比前一段時(shí)效溫度低,詳見表2。

試驗(yàn)結(jié)束后各組材料均制造規(guī)格為MJ4的螺釘以及金相硬度試樣,測試不同時(shí)效制度下材料各項(xiàng)力學(xué)性能,并觀察不同時(shí)效制度下合金的金相組織。

2試驗(yàn)結(jié)果和分析

(1)試驗(yàn)結(jié)果不同時(shí)效制度下材料抗拉強(qiáng)度和硬度值見表3，硬度試驗(yàn)每個(gè)試樣打三點(diǎn)取平均值。通過對表中數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,可以看出:I組進(jìn)行一段時(shí)效的合金強(qiáng)度、硬度比所有多段時(shí)效后的合金強(qiáng)度、硬度都低;對I組、Ⅱ組、IⅣ組、VI組進(jìn)行對比，可看出隨著時(shí)效段數(shù)的增加,合金的強(qiáng)度、硬度都隨著時(shí)效段數(shù)的增加而提高，而對I組、Ⅲ組、V組進(jìn)行對比，同樣可以發(fā)現(xiàn)這個(gè)趨勢;對Ⅱ組、Ⅲ組的數(shù)據(jù)或?qū)Β艚M、V組的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,可發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用較低的時(shí)效溫度時(shí),可獲得較高強(qiáng)度、硬度;對比Ⅲ組和Ⅳ組數(shù)據(jù)可看出,采用720℃+650℃兩段時(shí)效制度,合金強(qiáng)度高于采用720℃+680℃+650℃三段時(shí)效制度，應(yīng)注意Ⅲ組第二段時(shí)效溫度比Ⅳ組低,同時(shí)參考V組和VI組數(shù)據(jù),可發(fā)現(xiàn)類似的結(jié)果，即第二段時(shí)效選用650℃的三段時(shí)效制度,合金強(qiáng)度高于第二段選用680℃的四段時(shí)效制度。

為便于觀察合金強(qiáng)度、硬度的變化趨勢，現(xiàn)將表3數(shù)據(jù)作圖比較,如圖1所示，720℃一段時(shí)效,合金強(qiáng)度、硬度均為最小值,對于強(qiáng)度值而言，二段時(shí)效強(qiáng)度比一段時(shí)效提升較多，二段以后隨著時(shí)效段數(shù)增加，強(qiáng)度值提升趨于緩慢，且隨著時(shí)效溫度提高，強(qiáng)度值有下降趨勢;對于硬度值而言，一段及二段時(shí)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(wěn)，且采用較低時(shí)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(huán)境下，為測試時(shí)效制度對材料高溫性能的影響，每組試樣取3件按技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了高溫持久試驗(yàn)。試驗(yàn)樣本為MJ4規(guī)格的螺釘，螺紋應(yīng)力面積為9.517mm'，施加約450MPa的應(yīng)力,即4.28kN的載荷,樣本在(650士2)℃溫度下保持受載,試驗(yàn)結(jié)果見表4。從表中可見所有試樣在23h內(nèi)均未發(fā)生斷裂,符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，說明多段時(shí)效制度對合金高溫持久性能沒有不利影響。

產(chǎn)品有時(shí)會在交變軸向載荷或復(fù)雜循環(huán)應(yīng)力下工作,因此還進(jìn)行了疲勞性能試驗(yàn)。疲勞試驗(yàn)參數(shù)按照產(chǎn)品通用技術(shù)條件要求,每組試樣取3件進(jìn)行。具體參數(shù)為:高載3.5kN,低載0.35kN，進(jìn)行拉-拉疲勞試驗(yàn),試驗(yàn)頻率100Hz以下，試驗(yàn)結(jié)果見表5。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定平均循環(huán)次數(shù)應(yīng)達(dá)到65000次，且單件至少達(dá)到45000次。本次疲勞試驗(yàn)為節(jié)約成本，進(jìn)行至70000次后直接停止,所有試樣在70000次循環(huán)后均未破壞,證明疲勞性能均合格，多段時(shí)效不影響疲勞性能。

觀察Ⅰ組、Ⅱ組、Ⅳ組、V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(jīng)過與標(biāo)準(zhǔn)晶粒度評級圖進(jìn)行對比，四組試樣的晶粒度都在6~7級。由此可以看出，時(shí)效制度對合金晶粒度并無明顯影響。

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

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

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

(4)時(shí)效溫度和段數(shù)對高溫合金的品粒度影響不明顯、同時(shí)對合金的疲勞和高溫持久性能不會產(chǎn)生不利影響。

(5）增加時(shí)效段數(shù)、降低后續(xù)時(shí)效溫度也可作為高溫合金生產(chǎn)中,彌補(bǔ)產(chǎn)品強(qiáng)度不合格的補(bǔ)救措施。