固溶冷却方式对GH4220合金螺栓力学性能的影响

樊开伦，宋文俊，戴爱丽，余传魁，裴烈勇，刘勇德，刘文成

（贵州航天精工制造有限公司，贵州 遵义 563000）

GH4220合金是我国仿制前苏联的XH51BMTЮKΦP-BД镍基时效沉淀硬化型高温合金[1]。合金以Ni为基体，添加约（质量分数，下同）11%Cr、15%Co、6%W、6%Mo、0.5%V作为固溶强化元素，4.5%Al、2.5%Ti作为时效强化元素，同时加入C、B、Ce、Mg作为微合金化元素。Cr是高温合金中不可缺少的合金化元素，除了低膨胀高温合金外，几乎所有高温合金中都含有金属元素Cr。Cr溶入γ固溶体，引起晶格畸变，起到固溶强化作用，提高γ固溶体的强度，此外Cr的另一个十分重要的作用，就是形成Cr2O3氧化膜，使高温合金具有良好的抗氧化和抗腐蚀性能，且Cr含量越高，抗氧化性越好；镍基合金中加入Co，引起固溶强化，提高基体的强度，同时使合金的蠕变速率降低，从而提高合金的高温力学性能。另外，Co在高温合金中具有优异的抗热腐蚀性能和抗热疲劳性能，使合金的使用温度及高温性能得以进一步提高；W、Mo也是高温合金中常用的固溶强化元素，由于W、Mo的原子半径大于Ni，添加W、Mo会引起晶格明显膨胀，形成较大的长程应力场，阻止位错运动，使合金屈服强度明显提高。另外W加入高温合金后，除了约有一半溶于γ固溶体引起固溶强化外，另一半溶入了γ′强化相，起时效强化作用；V的原子半径比Ni大，所以加入V后同样能提高基体的强度，同时V具有细化合金晶粒的作用，改善了合金的热加工工艺塑性。GH4220合金中加入高温合金中常用而价格又便宜的Al、Ti作为时效强化元素，形成γ′强化相，提高合金的强度[2]；C、B、Ce、Mg作为微合金化元素，提高了晶界的结合力，起强化晶界的作用。通过提高晶界的结合力，可提高合金在高温条件下的力学性能。

GH4220合金成分的优异，决定了合金具有较高的使用温度以及在高温条件下具备优异的力学性能[3-4]。所以，该材料成为制造在950℃以下工作的航空发动机涡轮工作叶片、紧固件等零部件的优先选用材料。以航空发动机用GH4220合金螺栓为例，其技术要求为：950℃高温抗拉强度≥490 MPa；应力持久性能保持40 h不断（940℃加载215 MPa）；室温抗拉强度≥1000 MPa。

但是，在GH4220合金螺栓的生产过程中，因存在合金在冶炼过程中炉批次间的成分含量波动，合金元素偏析，杂质元素的数量、种类、大小、形状不同，以及合金热变形工艺等因素的不同，导致螺栓按标准热处理制度进行热处理后，室温抗拉强度、高温抗拉强度和应力持久性能往往不能满足螺栓技术条件的要求。

对GH4220高温合金的组织演变至关重要的热处理工艺被研究者广泛关注[5-7]，相比于标准热处理制度后获得的平直晶界形态，研究者发现可以通过热处理获得GH4220合金的弯曲晶界，并且对合金的性能有较大的改善作用[8-10]。本文以GH4220合金螺栓为研究对象，在保持GH4220合金的标准热处理制度即固溶和时效的温度、时间参数不变的情况下，在生产实际中，反复摸索，通过调整1220℃固溶处理冷却阶段的冷方式，将标准热处理制度的空冷改为缓慢冷却（24 min冷却至1100℃保温1 min，之后空冷），将晶界形态由平直晶界变为弯曲晶界，从而提高GH4220合金螺栓的力学性能。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本次试验原材料按照GJB 1953A—2008《航空发动机转动件用高温合金热轧棒材规范》执行，GH4220合金化学成分见表1。

表1 GH4220合金的化学成分（质量分数，%）Table 1 Chemical composition of the GH4220 alloy（mass fraction，%）

1.2 试验设备

螺栓头部采用WH-VⅢ-50感应加热设备进行感应加热、红外温度在线监测系统进行测温、160 t双盘摩擦压力机进行热镦成形。固溶、时效设备均采用可自动控制冷却速度同时具备空冷能力的WZC-30型真空油淬炉。室温拉伸试验采用CMT5505微机控制电子万能试验机，950℃高温拉伸试验采用CMT5205微机控制电子万能试验机，940℃应力持久性能试验采用GWT2105高温蠕变持久强度试验机。微观组织观察采用蔡司SUPRA40场发射扫描电镜。

1.3 试验方案及方法

螺栓加工工艺流程：润滑→热镦→清洗→固溶（两次固溶）→机械加工→螺纹滚压成形→时效。GH4220合金螺栓的标准热处理和缓慢冷却热处理工艺见表2。

表2 GH4220合金螺栓的热处理工艺Table 2 Heat treatment processes of the GH4220 alloy bolts

螺栓螺纹规格为MJ12 mm×1.25 mm，示意图如图1所示。并分别各取5件螺栓进行室温拉伸试验、高温拉伸试验和高温应力持久试验。

图1 GH4220合金螺栓示意图Fig.1 Schematic diagram of GH4220 alloy bolt

2 试验结果

图2（a，b）分别为标准热处理、缓慢冷却热处理后GH4220合金的晶界形貌图。可以看出标准热处理后GH4220合金的晶界较为平直，而经过缓慢冷却热处理制度的晶界呈弯曲状态，与标准热处理制度的试样相比，晶界平直的特征消失，晶界形态类似锯齿状。这种锯齿状的弯曲晶界是高温缓冷过程中晶界析出第二相和位向与界面能综合作用的结果[10]。

图2 不同热处理制度下GH4220合金的晶界形貌Fig.2 Grain boundary morphologies of the GH4220 alloy under different heat treatment regimes

表3为不同热处理制度下GH4220合金螺栓的室温拉伸强度。可以看到，标准热处理后螺栓的室温抗拉强度为990～1015 MPa，平均1004 MPa。缓慢冷却热处理后的螺栓室温抗拉强度为1130～1150 MPa，平均1143 MPa，满足了室温拉伸强度大于等于1000 MPa的技术要求。缓慢冷却热处理后的螺栓比标准热处理后抗拉强度平均提高了139 MPa，室温抗拉强度提高幅度为13.8%。

表3 不同热处理制度下GH4220合金的室温抗拉强度Table 3 Tensile strength at room temperature of the GH4220 alloy under different heat treatment regimes

表4为不同热处理制度下GH4220合金螺栓在950℃时的高温抗拉强度。从表4可知，标准热处理后螺栓在950℃时的高温抗拉强度为475～480 MPa，平均478 MPa。缓慢冷却热处理后螺栓的高温抗拉强度为527～539 MPa，平均532 MPa，满足950℃高温抗拉强度大于等于490 MPa的技术要求。缓慢冷却热处理后的螺栓比标准热处理后，高温抗拉强度平均提高了54 MPa，提高幅度为11.3%。

表4 不同热处理制度下GH4220合金在950℃时的高温抗拉强度Table 4 High temperature tensile strength at 950℃of the GH4220 alloy under different heat treatment regimes

表5为不同热处理制度下，螺栓在940℃加载215 MPa下的应力持久时间。从表5可知，标准热处理后螺栓的应力持久时间为37.9～38.5 h，平均持久时间为38.2 h。缓慢冷却热处理后螺栓的应力持久时间为50.5～52.7 h，平均高温应力持久时间为51.7 h。缓慢冷却热处理后螺栓比标准热处理的高温应力持久时间平均提高了13.5 h，提高幅度达35%。

表5 不同热处理制度下GH4220合金螺栓应力持久时间（940℃加载215 MPa）Table 5 Stress duration time of the GH4220 alloy bolt under different heat treatment regimes（940℃loading 215 MPa）

综上所述，仅通过改变GH4220合金螺栓标准热处理第一阶段固溶处理的冷却速度就可以实现对晶界形态的调控，并且在该弯曲晶界形态下，试样的室温拉伸强度、高温拉伸强度以及高温应力持久时间得到一定的提高，尤其是高温应力持久时间。

3 分析与讨论

γ′相是GH4220合金中主要的强化相[11]，按标准热处理制度和缓慢冷却热处理制度处理后（见图2），虽然合金中γ′相的总量相同，都在42%～45%，不同的是，缓慢冷却热处理制度有尺寸不同的γ′相，使γ′相质点的间距变小，而小γ′相弥散分布在大γ′相之间对位错运动的阻碍作用更大。因此，弯曲晶界在提高晶界强度的同时，也改善了晶内强度，使晶界强度和晶内强度得以最佳配合，从而使高温合金的强度得以提高，包括室温及高温瞬时抗拉强度和高温持久强度。另外弯曲晶界可有效推迟裂纹的形成和降低裂纹的扩展，从而改善力学性能[12]。高温合金在高温的断裂往往垂直于主应轴的晶界上[13-14]，对平直晶界往往在晶粒的三岔点处萌生，多为楔形裂纹，而弯曲晶界的裂纹萌生要比平直晶界困难得多，因为晶界滑动是高温裂纹形核的主要控制因素，而弯曲晶界可有效阻止晶界滑动，因而推迟了晶界孔洞裂纹的形成。同时弯曲晶界最重要的作用之一就是可以有效阻止或推迟裂纹的扩展，裂纹一旦萌生后出现的每一条微裂纹，由于其位向不同，而局限于弯曲晶界分段的较短单元范围内，与邻近裂纹彼此隔开，故能阻止或推迟裂纹的扩展。此外，弯曲晶界上微裂纹端部在扩展过程中遇到塑性较高的晶粒变形而钝化，晶内区域的应力集中也因变形而得到松弛。这样就有效降低了裂纹的扩展速率，推迟了大尺寸晶界裂纹的形成，故晶界为弯曲晶界的试样具备更高的高温应力持久时间。

通过调节GH4220合金的固溶冷却速度，可改变合金的晶界形态。通过获得弯曲晶界，成功解决了GH4220合金螺栓按标准热处理制度进行热处理后，室温抗拉强度、高温抗拉强度和高温持久性能不能满足技术条件的难题。因此，缓慢冷却热处理制度在航空发动机GH4220合金螺栓的热处理领域值得推广。

4 结论

本文以GH4220合金螺栓为研究对象，在保持其标准热处理制度（两段固溶+时效）中固溶、时效处理的温度、时间等参数不变的情况下，将GH4220合金螺栓第一阶段固溶处理后的空冷改为缓慢冷却（24 min冷却至1100℃保温1 min，之后空冷），主要获得以下两点结论：

1）高温缓慢冷却条件下，成功获得了弯曲晶界，晶界形态由标准热处理制度下的平直晶界变为锯齿状的弯曲晶界。

2）缓慢冷却热处理制度下获得的弯曲晶界有效提升了晶界、晶内强度，可推迟裂纹的形成和降低裂纹的扩展速率，提高了GH4220合金螺栓的室温及高温瞬时抗拉强度，延长了高温应力持久时间（13.5 h）。