鎳基合金熱處理-校對資料.doc

1、8.3 鎳基高溫高彈合金的應力松弛鐵基高溫高彈合金中往往含有不少的Ni和Cr,但鎳的含量總是少于50%當合金中的含鎳量超過50%時,則屬于鎳基合金了這類合金是在電熱合金Ni80Cr20的基礎上開發(fā)出來的,取名尼蒙尼克(Nimonic)系合金例如尼蒙尼克7580A115120等,其熱強性依次提高,相應地有美國研制成的取名因康耐爾(Incone1)系合金等我國的高溫合金(GH)中相應有GH4169(Incone1718)和GH4133(與Inconel -750相近)這些合金是Ni一Cr或Ni-Cr-Co為基的固溶體,其特性是耐熱穩(wěn)定性(熱強性)好,耐蝕性高,大部分合金在較大溫度范圍內無磁性下面重

2、點以GH合金制造的汽油發(fā)動機中的刮片彈簧為例,討論應力松弛問題8.3.1 耐熱彈簧(刮片簧)的松弛變形失效與選材1)汽油機轉子發(fā)動機刮片簧的工況條件與技術要求汽油機轉子發(fā)動機具有結構簡單質量輕高速動力性能好等優(yōu)點,其結構示意圖如圖8-5a所示轉子發(fā)動機缸體1中有一個三角形轉子2,轉子的三個邊把缸體分割成三個工作室,轉子轉動一圈,每個工作室依次進氣壓縮點火爆發(fā)到排氣完成一個工作循環(huán)為了保證密封,轉子的三角上都有一個刮片3刮片的底部均有一個弓形刮片簧4它的作用是要保證刮片始終與缸體型面相貼合因此,刮片彈簧是轉子發(fā)動機中一個重要的功能性零件因為它的工作情況直接影響到片簧與缸體的密封效果,即直接影響到

3、發(fā)動機性能發(fā)揮的好壞由于刮片簧是在缸體內工作,工況條件苛刻,工作溫度經常在300380之間,局部極限溫度可達800,瞬時高溫燃氣還會掃過,工作應力較高,且易氧化和腐蝕等刮片彈簧尺寸隨機型的不同而有差別試驗用的刮片彈簧為弓形薄片狀(圖8-5b),長寬高分別為634.390.63mm弓形自由高度為4.18mm裝配高度為1.98mm假定刮片簧工作一段時間后的自由高度降低0.05mm,經計算其應力松弛值為2.27%5實際表明,應力松弛和蠕變是刮片彈簧失效的主要原因2)刮片彈簧的受力分析與材料選擇大多數(shù)的耐熱彈簧在高溫時承受一個較大的靜載荷和一個較小的循環(huán)載荷刮片彈簧也是這樣,即保證片簧與缸體型面始終貼

4、合的彈力P必須大于此時刮片的徑向慣性力Fr設計者經過研究和計算,為了使發(fā)動機正常起動和運轉(例如起動速度為300r/min),只需P比Fr大0.05N即可事實上,當轉子起動后的Fr很小,可以忽略不計,此時主要靠徑向背壓力來保證刮片與缸體型面的貼合密封刮片彈簧的彈力主要用來克服起動時刮片徑向慣性力,并保證它與缸體型面的密封絕大多數(shù)的場合下,刮片彈簧的彈力均大于0.06N刮片簧在起動時和啟動后都處于裝配高度之下,故可認為它承受的是單一的靜載荷如考慮循環(huán)載荷(例如,每一個工作循環(huán)都受到燃氣產物的沖掃等)和磨損,刮片簧的彈力還應大一些,例如,取P=7.36N(如德制M612型轉子發(fā)動機的刮片簧)總之,

5、刮片簧的受力雖然較復雜,但經實際分析,刮片的徑向慣性力和循環(huán)載荷都較小,可以忽略不計,因此它承受的主要是靜載荷在服役過程中的失效形式不是疲勞斷裂,而是蠕變和應力松弛通過初步計算,刮片簧的應力松弛值為2.27%,此時相應的蠕變行為引起時殘余變形量只有0.005%,即松弛攣形為蠕變量的460倍所以,應力松弛(或松弛變形)是刮片彈簧失效的主要原因如選用一般彈簧鋼(65Mn或50CrVA片材)制作,顯然不合適區(qū)它們使用一段時間就嚴重變形,喪失彈性,使發(fā)動機性能急劇下降,甚至造成停機事故,再次啟動十分困難,故這類材料不宜選用一般選用高溫合金來制造,例如選用鐵基的3J型或GH2132(A286)制造,因為

6、這些合金在高溫下的松弛抗力比通用彈簧鋼好得多這幾種合金以最佳熱處理狀態(tài)制造刮片彈簧,再在320和400下保持150h后的撓度變化()及應力松弛率()見表8-5由該表中數(shù)據可知,在320下夾持150h后,3J-1片簧的撓度變化值為0.084mm,3J-3比3J-1好,是其81%,GH2I32(A286)合金者更好,是其51%如在400試驗時,三種材料的撓度均相應減小,但更顯出GH2132合金優(yōu)于3J-3,以3J-1合金最差某廠用3J-1合金制成的上述尺寸的刮片簧在裝車試驗時失效失效的3J-1合金片簧由均勻弓形的一段變成近似平直,其余部分仍然完好平直的部分表面發(fā)黑在發(fā)黑(平直)部分完好部位和介于兩

7、者之間的過渡部位分別取樣,進行金相組織觀察結果是:完好部位仍為3J-1合金時效后組織;過渡部位已開始了局部再結晶,但仍只留了部分相; 而發(fā)黑部位幾乎是全部再結晶,但其再結晶過程并未完成3J-1合金的再結晶開始溫度在800左右,由金相組織分析表月,發(fā)黑部位的實際溫度決非們400,而接近800造成刮片彈簧局部溫度升高的原因比較復雜,主要有刮片簧刮片和刮片槽之間的間隙在槽的兩端不等(因加工精度不高),間隙較大的一端受到高溫燃氣的沖刷作用較強, 此時刮片簧部分受熱大, 故溫升過高, 導致組織和性能發(fā)生急劇變化而失效從表8-5中對比可知, 3J-3的抗松弛性能優(yōu)于3J-1合金, 但劣于GH2132(A2

8、86)合金調整時效工藝可以改善松弛性能,例如3J-3合金的刮片簧分別在時效溫度600650700及750×4h進行時效處理,在400×400h的條件下進行夾持試驗后的松弛率相應為10.65%7.8%6.53%和15.3%,表明時效工藝不同對片簧的高溫抗立力松弛性能的影響相當顯著但是, 3J-3合金的最高工作溫度不超過400, 用它制作該刮片彈簧仍不能滿足設計要求如選用GH2132(A286)合金制作該刮片簧, 它在650的屈服強度()彈性極限()及疲勞強度()都下降很少, 但高溫持久強度在600以上時下降較快(圖8-2)它在538時的松弛特性參看表8-3, 如在140h后的

9、負荷損失率已達10%(試驗應力為549MPa)從表8-5可看出,它的抗應力松弛性能明顯優(yōu)于3J-3合金,也只能在550以下長期工作8.3.2 高溫合金GH4169(InconeI7I8合金)的應力松弛從鐵基高溫合金3J-1刮片簧的失效分析可知, 該材料的耐熱穩(wěn)定性(如抗氧化等)和熱強性不夠好,不能滿足刮片簧的使用要求鎳基高溫高彈性合金的特點是熱強性更好抗氧化和耐蝕性高選用GH4169(7I8)合金制作刮片簧, 在某廠TZ2120型轉子發(fā)動機上通過了600h的裝機試驗為此,必須對鎳基高溫合金的合金化原理熱處理工藝及處理后的高溫力學性能等有一個扼要的了解鎳基高溫高彈性合金的合金化原理與鐵基大體相似

10、,目的都是為了滿足熱穩(wěn)定性和熱強性更高更好的技術要求耐熱(高溫)穩(wěn)定性主要包括抗氧化性組織結構穩(wěn)定性和力學性能等鐵的熔點比鎳稍高,但鎳的抗氧化能力大鎳是面心立方結構(即奧氏體), 其結構穩(wěn)定性比鋼(奧氏體鋼)要高因此,鎳基合金比鐵基合金具有更好的耐熱穩(wěn)定性熱強性是指鎳基(或鐵基)固溶體的強度, 固溶強化是研制高溫合金的重要指導思想這類合金命名為GH3×××,其中3代表固溶強化的鎳基合金另一條思路就是固溶后必須通過時效處理方能達到強化效果,這就是時效硬化型鎳基高溫合金,相應牌號為GH4×××,其中4代表時效強化的鎳基合金為了提高合金的耐

11、熱穩(wěn)定性,加人20%左右的Cr, 如另加人MoCoW等元素, 則含鉻量可減少到10%I3%為了提高時效硬化效果, 應適量添加(Ti+Al)等合金元素,并且兩者的含量為2:1(Ti:Al)時具有良好的高溫強度和抗熱腐蝕性能由于這類合金進行高溫固溶處理后一般需經過熱或冷塑性變形,獲得線材或板材或加工成所需形狀的彈性元件,再通過時效處理達到所需的強韌性配合由以上對3J-1型鐵基耐熱合金制成的刮片簧的失效分析可知,再結晶溫度是另一個重要指標如果元件工作溫度過高,達到了合金的再結晶溫度時將發(fā)生再結晶,甚至是聚集再結晶現(xiàn)象,使材料幾乎完全喪失高強硬性和高彈性(失效)為了提高這類合金的再結晶溫度幾,必須選用

12、高熔點金屬元素(因Tr0.4)和適量加人那些能阻礙其再結晶過程的合金元素, 例如TiNbZr及B等所以,鎳基高溫高彈合金是Ni-Cr系和Ni-Cr-Co系合金,基體是奧氏體, 另加人MoWNbTiAlB等元素形成強化相但(Mo+W)含量不得大于10%, (Ti+Al)總含量不得大于5%,否則,熱加工性能變壞鎳基高溫高彈合金的力學性能與其組織結構密切相關,如晶粒大小碳化物及金屬間化物()的形態(tài)大小和分布等都是通過熱處理工藝來控制的這類合金的熱處理一般由固溶處理中間處理和時效處理組成固溶處理的目的是為了溶人較多的碳化物和相而獲得過飽和的固溶體(即合金奧氏體);其次是為了得到適當?shù)木Я６仍诟邷叵麻L期

13、工作的元件,晶粒度以34級為好,這樣可得到較高的抗蠕變性能固溶溫度一般在10401230范圍內選擇此類合金經高呈固溶處理后再加低溫時效便可得到足夠好的拉伸和短期的持久性能, 但由于組織仍不夠穩(wěn)定, 不適于制造長期服役的彈性元件為此,需在時效前進行8501100的中間處理,主要作用是改變在奧氏體晶界上析出碳化物的形態(tài)數(shù)量和分布,也使相的分布更為合理時效處理的目的是更充分而均勻地析出強化相質點, 一般選7001000為宜(含AlTi較多時取高限), 有些合金采用多次熱處理規(guī)范(如兩次固溶+兩次時效)可提高它的蠕變性能和長期使用的穩(wěn)定性能鎳基高溫高彈性合金經過熱處理后的高溫力學性能見表8-6該表中前

14、兩個牌號屬于Ni-Cr系,后兩個牌號屬于Ni-Cr-Co系看來,含Co的鎳基高溫合金具有更高的持久耐熱性能GH4169(Inconel718)合金是以相析出強化的Ni-Cr-Fe合金它除有良好的抗氧化性和耐蝕性外,在700以下的組織穩(wěn)定性和熱強性也相當不錯它的高溫力學性能見圖8-6同溫度下的彈性模量(E和G)見圖8-7,不同溫度下的持久強度見圖8-8由圖8-6及8-7可知,溫度升高時,強度指標()和彈性模量(E和G)都逐漸降低,塑性()幾乎不變當溫庋超過650時,上述各項性能指標均急劇下降從圖8-8中各曲線變化趨勢可知,540的持久強度隨時間延長而下降的趨勢較小,而目.偏離直線不大,到700的

15、持久強度隨時間延續(xù)而下降的趨勢明顯加快,而且偏離直線也明顯提前曲此可見,GH4169(718)合金只能在600可使用1萬小時以上GH4169(718)合金板材經過不同的冷變形加工后制成上述刮片彈簧在550作靜態(tài)夾持試驗,發(fā)現(xiàn)彈力和撓度的下降率均隨冷變形量的減小而減小(圖8-9),當冷變形量達30%時,片簧的負荷(彈力)損失率增大5倍試驗結果表明,工作溫度比較高時,該合金片材不進行冷變形加工只進行過固溶處理(為1000)及時效處理后的刮片簧具有最好的抗應力松弛性能(圖8-9中曲線1)如簧片必須減薄時,變形量宜相應減小對于高溫合金制成的片簧或其他彈性元件,工作溫度越高,冷變形量宜越小兩者大致存在如

16、下關系:使用溫度范圍150320320480及大于500時對應的冷變形量為30%30%-15%和小于15%總之,溫度對各種彈性材料應力松弛的影響非常顯著通過前述各章表明,無論是碳素彈簧鋼低合金彈簧鋼或各種不銹鋼,還是耐熱鋼或高溫合金,只要是通過冷塑性變形(如冷拔或冷軋等)得到時型材,在退火時效或加熱強壓處理中的溫度一旦超過其再結晶溫度,就會使材料的彈惟微塑性變形抗力指標及元件的抗應力松弛性能嚴重惡化所以,各種彈簧或彈性元件的工作溫度不應超過選用材料的再結晶溫度由此可推論出一條思路,即選擇高熔點金屬元素為基,如鐵基鎳基及鈮基合金作為高溫合金的主要原因就是這些金屬元素再結晶溫度比較高的緣故影響再結

17、晶溫度的其他因素有二一是適當加入一些強碳化物形成元素,如WMoZrNb等及微量的硼(B),通過時效析出金屬間化合物或碳化物和硼化物并分布在奧氏體晶界附近,阻礙其再結晶過程,同時也非常有效地提高微塑性變形的抗力指標因而有利于改善合金的抗松弛性能二是冷塑性變形程度對材料的再結晶過程有重要影響眾所周知,泠變形程度越大,再結晶溫度越低也可以說,冷變形程度越大,材料組織的穩(wěn)定性越差,越容易發(fā)生再結晶現(xiàn)象和應力松弛現(xiàn)象這對對高溫高彈合金尤為重要GH4169合金制成的刮片彈簧進行熱強彎處理(即用夾板將壓平于500保持8h)和未進竹的彈簧比較,經450x600h的動態(tài)模擬實驗 (和工況條件類似)后測量撓度的變

18、化,結果見表8-7由該表可知,熱強彎處理能有效提高GH4169(718)合金刮片抗應力松弛性能3.3,3 NiCr15Fe7NbTi2Al(Inconel X-750)美國早期研制的鎳基高溫合金:Incone1X-750是以AlTiNb強化制成的Ni-Cr-Fe系合金它的持點是:在816以下有良好的抗腐蝕和抗氧化性能,也有良好的蠕變性能和高溫持久強度,又能耐低溫(-253),成型性能亦較好它主要用于制造宇航工業(yè)中的高溫高彈性元仵該合金的典型熱處理工藝如下退火,9551010,水冷完全熱處理,固溶處理+時效處理前者的工藝參數(shù)為11351165×24h,空冷;后者的工藝參數(shù)為830855

19、×24h,空冷,690720×20h,空冷特殊熱處理板材和帶材的具體工藝為退火(600700)×20h,空冷;棒材相應為970995×1h,空冷的固溶處理+分級時效725740×8h,爐冷,冷速55/h,冷卻到615630時保溫,總時效時問為18h,空冷熱處理時應在無硫的中性或還原性氣氛中進行薄帶材(厚度<0.5mm)應在氬氣或干燥的氫氣中退火,以免損失表面強化元素用硬帶材或線材制成的彈簧必須進行回火處理,如在635665時效4h后空冷, 可獲得最好的室溫強度為了在480650工作時具有最好的抗松弛性能, 對于已進行65%冷變形的線材應選

20、擇完全熱處理工藝-750合金經熱處理后在不同溫度下的力學性能見圖8-10由該圖可看出,溫度超過6000時,它的強度()迅速下降因此,以該合金制成的彈性元件也只能在650以下使用x-750合金在不同溫度下的持久強度見圖8-11由該組曲線可知, 溫度越高, 持續(xù)的時間越長, 其強度越低從540到730范圍內, 其持久強度幾乎按比例降低,下降的速率大體相同;當溫度在760:815時, 其持久強度以更快的速率降低-750合金不同溫度下的彈性模量見圖8-12該圖和圖8-7基本類似,說明Inconel X-750和718合金的彈性模量均隨溫度升高而降低并且,動態(tài)測定的EG高于靜態(tài)時測定值,溫度越高時差值也

21、越大用-750合金絲冷卷成簧,經730×16h,室冷時效后在應力=69-491MPa溫度為430595條件下的應力松弛曲線見圖8-13比較這些曲線可知,松弛過程均可分為兩個階段: 瞬態(tài)松弛和穩(wěn)態(tài)松弛圖中實線為時效硬化彈簧測得的松弛曲線由此可見,提高松弛試驗溫度或增大試驗應力水平均使彈簧的變形量(,%)增加例如,當試驗應力為412MPa時,該簧在430松弛20天后,變形量小于4%;如在595松弛同樣長的時間,變形量超過了14%(增大3.5倍)從圖8-13c還可看出,如果經過65%的冷變形的硬材制成的同樣的彈簧也在430松弛不同時間,其松弛變形量也顯著增大(如虛線所示)這再一次證明,冷塑

22、性變形程度過大時將降低合金的抗應力松弛性能8.3.4 Ni-Cr-Co系鎳基高溫合金的應力松弛Ni-Cr-Co系鎳基高溫合金是Ni-CrW(Mo)-Co沉淀硬化型材料常用牌號有NiCr19Co6W10Ti3AlB(3N578)NiCr19Co11-Mo10Ti3AlB(GH141)及NiCr19Co13Mo4Ti3AlB(美Wapaloy)等上述合金中的NiCrTiAl及B的含量基本相同,主要差別是Co及W(Mo代)的含量稍有不同其性能特點是:強度彈性和塑性在-196600范圍內優(yōu)于3J型合金,在熱帶海洋性大氣或某些腐蝕性介質中具有很高的穩(wěn)定性,適于制造在500600工作的儀表彈性元件彈性合金

23、的主要力學性能指標是eps及彈性模量EG與溫度的關系抗松弛(或抗蠕變)性能是否良好,對彈性元件的品質具有決定性意義首先介紹EN578合金的性能特點圖8-14為該合金在不同溫度下的彈性模量和強度指標從該圖可看出, 固溶處理后進行30%的冷變形將提高強度指標(特別是p提高更顯著),但使塑性()降低這種趨勢可維持到600該合金0.38mm厚的帶材常在彎曲條件下工作,抗彎性能見圖8-15由該圖可知,冷軋帶材的各向(縱向和橫向)同性良好該種材料的應力松弛性能見圖8-16由該圖可見,松弛過程明顯分為兩個階段瞬態(tài)松弛只經歷50100h后便進人穩(wěn)態(tài)松弛階段,此時的松弛速率很小并趨于一恒定值,即應力降低10%之

24、后,合金的性能趨向穩(wěn)定另一方面,它的縱向比橫向具有更好的抗松弛性能其次分析GH141合金它經1080固溶處理和760×16h時GH141合金的彈性模量E和G也隨試驗溫度的升高而下降圖8-17可見,E在650左右時下降趨勢較快,G值隨溫度升高呈線性緩慢降低該合金經不同處理制成的彈簧在不同溫度應力及時間(5h-140h)條件下的負荷損失率如表8-10所列仔細分析該表中的數(shù)據可知可知,固溶后制作的彈簧經時效后在相同的松弛溫度(538)下于不同試驗應力時松弛5140h范圍內的負荷損失率變化不大(6%10%),但進行過冷變形(15%30%)的材料制成的彈簧經相同時效處理的負荷損失率(松弛試驗條件相同)將增大91倍左右并且, 冷變形量越大, 松弛率越大如果提高試驗溫度(由538提高到704), 彈簧的負荷損失率更是成倍增長(不過, 應注意,此組合金的時效工藝是816×16h, 雨不是上一組那樣的732×16h)上述試驗結果表明,冷變形量增大時將使彈簧的松弛遲緩增大,固溶狀態(tài)材料比冷變形大的材料制成的簧具有較好的抗應力松弛性能該