晶粒度對迷宮軸高溫持久性能的影響

■ 張莉，文鈺，李克，郭占兵

迷宮軸是某飛機發動機上的關鍵零件之一，在發動機工作時主要起到阻尼減振作用，對材料提出了較高的要求。目前該零件材料為GH500高溫合金，是以鎳-鉻-鈷為基的時效強化型高溫合金，加入鋁、鈦沉淀強化，并用鉬固溶強化，合金有較好的耐熱、耐蝕性能和長期組織穩定性，其使用溫度一般不超過870℃，短時可達980℃；適用于制造燃氣渦輪發動機的渦輪轉動部件及承力件。因此，對材料為GH500高溫合金零件的熱處理工藝參數控制，尤其是對高溫持久性能指標提出了更高的要求。

1. 零件存在的問題

（1）零件的加工情況及性能要求 該迷宮軸的材料為GH500，目前采用的加工路線為：鍛造成形→固溶（箱式電阻爐）→車削→鉗工→車削→時效（真空爐）→三道磨削→鉗工→熒光檢測→標印→檢驗→入庫。迷宮軸零件結構示意如圖1所示。

零件時效后的性能要求：100%檢查硬度≥340HV30，并按技術文件檢測室溫拉伸性能和870℃光滑持久性能，具體性能指標如表1所示。

（2）存在的問題 某生產批次（共24件）迷宮軸在時效處理后，從隨爐試樣（編號1#）中取力學性能試棒進行力學性能檢測。發現：室溫拉伸性能、硬度均符合技術要求，而870℃光滑持久性能出現嚴重偏低的情況（要求為≥50h，實際34.2h，重取為20.7h、23.4h），不符合相關技術條件的要求。

后又從該批零件中隨機抽取一件零件剖切后（編號2#）進行高溫持久性能檢驗。具體數據如表1所示。

2. 原因分析

材料的成分決定組織，組織決定性能。為分析零件出現的高溫持久性能不合格的問題，對零件的成分和組織做了相應分析。

圖1 迷宮軸零件示意

表1 不合格批零件力學性能數據

（1）成分分析 對1#（隨爐試樣）和2#（剖切零件）分別進行成分復測分析，并與GH500名義成分對比分析，如表2所示。

由表2結果表明：1#（隨爐試樣）和2#（剖切零件）的材料成分均無明顯異常。可見，材料的化學成分不是導致該批零件高溫持久性能不合格的原因。

（2）晶粒度分析 對1#（隨爐試樣）持久性能試棒的初取試樣和重取試樣進行晶粒度檢查，如圖2所示。由圖2可見，1#（隨爐試樣）持久性能初取試樣和重取試樣的晶粒度無明顯差別，均為7～8級。

為進一步分析高溫持久性能不合格原因，對1#隨爐試樣不同部位再次取樣，分析不同部位晶粒度的均勻性以及變化情況。如圖3所示。可見，同一件隨爐試樣，位置a的晶粒度為7～8級；位置b從金相上顯示為7～8級的晶粒中夾雜著4～5級的晶粒，個別晶粒達3級，存在混晶現象；位置c大部分為4～5級晶粒，局部存在7～8級晶粒。由此可見，1#隨爐試樣不同部位的晶粒度大小存在明顯差別，從3級到8級變化，局部存在混晶現象。

對高溫持久性能合格的2#（剖切零件）進行晶粒度檢查，如圖4所示，可見，2#（剖切零件）晶粒度為均勻4級。

圖2 1#隨爐試樣持久性能初取試樣和重取試樣晶粒度對比

圖3 1#隨爐試樣不同部位晶粒度對比

由以上分析可以看出：時效后870℃持久性能偏低的毛坯晶粒度為7～8級，分析其毛坯不同部位晶粒度的均勻性和變化情況，發現局部存在混晶現象。而高溫持久性能合格的零件晶粒度為4級。

由此可見，鍛件晶粒度不均勻，或者說晶粒度偏細是造成零件870℃持久性能不合格的主要原因。

3. 解決方法

由原因分析可知，要改善零件的870℃持久性能，就必須調整零件的晶粒度，而要調整晶粒度，就必須通過重新固溶處理來改善零件局部晶粒不均勻的狀況，而后再進行時效強化，從而達到零件的使用性能要求。但是，目前零件已經過精加工，余量較少，返修時必須要考慮零件變形、氧化皮等負面影響。因此，必須在設備、工藝制度等幾個方面慎重選擇。

（1）設備選擇 按原工藝，零件固溶在普通箱式電阻爐中進行，但目前零件已到時效工序，尺寸基本加工到位，加工余量很少且對零件變形要求高。由于固溶溫度高，在普通空氣爐中進行高溫固溶時易產生氧化皮。而真空加熱設備主要是在真空環境中，以輻射加熱為主，能夠抑制氧化作用，得到光亮表面，且在700℃以上具有很好的爐溫均勻度，零件變形較小，以及冷卻速度可控等一系列優點。

返修選用的真空爐，加熱元件為鉬片加熱，薄片裝的鉬片成環形環繞在爐壁內保證了高溫加熱時的爐溫均勻度。圖5是真空氣淬爐的加熱元件布局示意。

（2）原固溶工藝 固溶：箱式爐，≤825℃進爐，在850℃±10℃下保溫2～3h，升至1090℃（熱電偶跟蹤）4～5h，散開空冷。

一次時效：真空爐中加熱845℃±10℃，24～24.5h隨爐冷至400℃時通氬開風扇冷至150℃以下出爐空冷（真空工作壓強為133.3×10-1～133.3×10-3Pa）。

二次時效：真空爐中加熱760℃±10℃，16～16.5h隨爐冷至400℃時通氬開風扇冷至150℃以下出爐空冷（真空工作壓強為133.3×10-1～133.3×10-3Pa）。

（3）返修補救工藝 固溶：真空爐中以10～20℃/min的速率升至1100℃±10℃，保溫4～4.5h通氬至2×105Pa時開風扇冷至150℃以下，出爐空冷（真空工作壓強為133.3×10-1～133.3×10-3Pa）。

一次時效、二次時效處理工藝不變。

時效后，除進行100%零件硬度檢驗，以及20℃拉伸和870℃光滑持久性能檢查外，還增加了試料晶粒度檢查，驗證零件補充固溶后晶粒局部不均勻狀況的改善情況。

原固溶工藝制度與返修固溶工藝制度的區別如圖6所示。

（4）裝爐情況 為確保零件受熱均勻，裝爐時保證零件與零件之間距離為30～50mm，避免零件堆疊、磕碰。

4. 結果及分析討論

通過以上改進措施的實施和控制，對一批零件進行固溶、時效處理后，進行金相顯微組織檢測和力學性能檢測，結果如表3所示。

100%晶粒度檢查結果為：在零件端面制樣進行高倍檢查，基體組織正常、晶粒均勻、晶粒度為3級+少量4級（見圖7），符合相關技術要求，結論為合格。

表2 性能試棒化學成分（質量分數） （%）

圖4 2#零件晶粒度

圖5 真空爐內部加熱元件布局

（1）該零件在真空爐中進行返修后（固溶、時效處理），零件的室溫拉伸、高溫持久性能以及晶粒度均滿足了發動機使用要求。這是因為在真空爐熱處理后零件表面光亮、無氧化、變形小等一系列特點，保證了返修零件的表面質量及零件的平面度和內外圓尺寸。且真空設備在700℃以上有較好的爐溫均勻度，且真空固溶時零件擺放間距較大，零件固溶充分，保證了返修零件的晶粒均勻。

（2）作為材料強化的一種有效手段，晶粒細化是工程應用中較好的強化方法，與其他強化方式相比，細晶強化是唯一一種在增加材料強度的同時也增加材料塑性的強化方式。不過，由于細晶強化所依賴的前提條件是晶界阻礙位錯滑移，這在溫度較低的情況下是存在的。而晶界本質上是一種缺陷，當溫度升高時，隨著原子活動性的加強，晶界也變得不穩定，這將導致其強化效果逐漸減弱，甚至出現晶界弱化的現象。實際上，多晶體材料的強度-溫度關系中，存在一個所謂的“等強溫度”，小于這個溫度時，晶界強度高于晶內強度，反之，則晶界強度小于晶內強度，如圖8所示。因此，對于有特殊要求的迷宮軸零件所用的GH500高溫合金而言，為達到滿意的高溫持久性能，就必須將晶粒度控制到最佳范圍。

（3）如何控制零件的晶粒度，使鍛件避免出現晶粒度不均勻以及混晶現象。不僅要保證后期固溶處理的充分性，而且在鍛造階段就應該嚴格控制。建議在以后生產鍛件毛坯時，對模具要進行充分預熱。如果模具溫度較低，則需要鍛造的鍛件與較冷的模具接觸，晶粒無法正常長大，而是保持相對較小的形態，造成部分鍛件晶粒度較小。另外，為防止混晶的出現，還應嚴格控制變形節奏和打擊力度，確保變形均勻。這樣，才能保證零件再結晶的均勻性，從而保證晶粒的均勻性。

圖6 對比

圖8 等強溫度示意

圖7 返修后零件金相顯微組織

表3 力學性能檢測結果

5. 結語

（1）晶粒度是影響GH500高溫合金高溫持久性能的主要因素，當晶粒度控制在3～4級時，高溫持久性能良好，符合發動機使用要求。

（2）為獲得滿足需要的晶粒度，應從鍛造工藝和熱處理工藝兩個方面控制，鍛造時，應對模具進行充分預熱，嚴格控制變形節奏和打擊力度；熱處理時應保證固溶充分。

（3）對于材料為GH500高溫合金的少無余量精密加工零件，若出現高溫持久性能偏低，可采用1100℃±10℃、保溫4～4.5h、通2×105Pa氬氣開風扇冷卻的方式在真空爐中返修補救。