GH4090合金圓柱螺旋彈簧應力松弛性能研究*

李少龍，趙 振，董紅莉，張十慶，陳芝來，黃 南，李 方，何欽生，王 宏，白雨松

(1. 中國航發湖南動力機械研究所，湖南，412002； 2. 重慶材料研究院有限公司，重慶 400700；3. 國家儀表功能材料工程技術研究中心，重慶 400700)

0 引 言

GH4090為時效強化型鎳基變形高溫合金，與英國牌號Nimonic90相近，該合金具有較高的抗拉強度和抗蠕變能力、良好的抗氧化性和耐腐蝕性、在冷熱反復作用下具有較高的疲勞強度，常用于渦輪盤、渦輪葉片、高溫緊固件、密封圈以及高溫彈簧等零部件[1-2]。GH4090合金彈簧絲屬于高溫合金冷加工產品，具有較高的強度，主要用于制作航空相關組件彈簧，作為一種新型材料應用于重點工程[3]。根據彈簧的服役環境，無論是受靜態載荷或是動態載荷，長時間的服役均會導致應力松弛或彈性衰退，嚴重影響了其在使用過程中的穩定可靠性[4-7]。螺旋彈簧在承受軸向壓縮載荷時，其絲徑內部受到扭矩和彎矩的混合作用，并且沿其絲徑斷面應力分布不均勻，因此，即使所承受的載荷小于材料彈性極限，內部某些區域應力仍可能超過材料的彈性極限，使該區域發生塑性變形而造成彈簧的松弛[8]。彈簧的工作溫度是彈簧松弛的主要影響因素，彈簧工作溫度越高，塑性變形程度越明顯，即松弛率越大[7,9-10]。

針對目前國內外對GH4090合金彈簧絲材及其彈簧等元件的研究較少[2,11]，尤其同一規格彈簧的靜態和動態抗松弛性能的綜合、系統研究更是未見報道。本文以某型號發動機用GH4090合金圓柱螺旋彈簧(下文稱GH4090合金彈簧)為研究對象，為真實反映彈簧實際工作環境，制定實驗相關參數。研究其在不同溫度下的靜態抗松弛性能(室溫、300、350和400 ℃)和動態抗松弛性能(室溫和350 ℃)，獲取GH4090合金彈簧相關數據，對推廣該材料及其彈性元件廣泛應用具有重要意義，同時為該材料彈性元件的設計和制造提供參考。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

實驗材料通過真空熔煉+電渣重熔雙聯冶煉工藝熔煉，依次經過均勻化熱處理→鍛造→熱軋→圓絲冷拉拔?中間退火熱處理→酸洗→最終道次冷拉拔等工序獲得GH4090合金彈簧絲材。化學成分如下表1所示。絲材經矯直、卷簧后獲得變形態GH4090合金彈簧元件，變形態GH4090合金彈簧經650 ℃×4 h時效處理，獲得時效態GH4090合金彈簧元件。時效態絲材的彈性極限σ0.005為1 085 MPa，顯微組織如下圖1所示，由變形奧氏體孿晶+碳氮化物組成。彈簧元件示意圖及實物如下圖2所示。彈簧的絲徑為0.5 mm，外徑為10.5 mm，總圈數為5圈，有效圈數為3圈，螺旋方向為右旋。

表1 GH4090高溫合金材料化學成分Table 1 Chemical composition of GH4090Superalloy

圖1 時效態GH4090絲材顯微組織(Φ0.5 mm)Fig 1 Microstructure of aged GH4090 wire with diameter of 0.5 mm

圖2 GH4090合金彈簧 (a)示意圖；(b)實驗件Fig 2 GH4090 superalloy spring (a)Schematic diagram；(b) Test pieces

很明顯，在彈性范圍內，彈簧載荷與位移之間關系符合胡克定律。測量時效態GH4090合金彈簧在自由高度H0壓縮至15.40 mm范圍的位移和載荷，結果如下圖3所示，可以看到GH4090合金彈簧載荷和位移之間線性關系較強，相關系數r=-0.9984，兩變量之間線性關系密切；利用最小二乘法確定回歸系數，得擬合方程P=3.722-0.182H(式中：P為載荷，N；H為位移，mm)，可得彈性系數為0.182 N/mm。

圖3 時效態GH4090合金彈簧載荷和位移關系Fig 3 Relationship between load and displacement of aged GH4090superalloy spring

1.2 實驗方法

靜態抗松弛實驗采用螺栓螺母周期作業法，螺栓直徑為8 mm，如圖4(a)所示，將GH4090合金彈簧高度壓縮至15.40 mm，保持8 h，高溫實驗在HKX-123型實驗電爐上完成。動態抗松弛實驗在TPL-G2000N型數顯機械式低頻高溫彈簧疲勞實驗機上完成，設備如圖4(b)所示；彈簧實驗件安裝固定在直徑為8 mm的工裝上，如圖4(c)所示。將GH4090合金彈簧高度壓縮至15.40 mm(位移最低點)，疲勞循環周次3000次，頻率2 Hz，波形為正弦波，振幅為±1 mm。高溫實驗為確保彈簧各部分受熱均勻，到溫后保溫10 min開始實驗。實驗前測試彈簧的自由高度和壓縮至15.40 mm的載荷。高溫實驗完成后等溫度降至室溫，取下彈簧，再次測量彈簧的自由高度和壓縮至15.40 mm的載荷。彈簧各參數均進行3次重復實驗并對實驗結果求取平均值。

彈簧松弛和蠕變現象的表現形式不同，但應力松弛(特別是高溫應力松弛)和蠕變現象在本質上講并無區別，應力松弛是蠕變的結果，彈簧的應力松弛率Csr和蠕變率Ccp分別由公式(1)和(2)計算[9]。

(1)

(2)

式中：Csr和Ccp分別為彈簧的應力松弛率和蠕變率；

P0和Pt分別為實驗前、后彈簧壓縮至給定高度的載荷，本次實驗給定高度為15.40 mm。

H0和Ht分別為實驗前、后彈簧在給定載荷下的高度，本次實驗給定載荷為0，即為自由高度。

圖4 (a)靜態抗松弛實驗；(b)(c)動態抗松弛實驗Fig 4 (a) Static relaxation test；(b)(c) Dynamic relaxation test

2 結果與討論

2.1 靜態抗松弛實驗

不同溫度下，時效態GH4090合金彈簧靜態保持8 h抗松弛實驗結果如下表2和圖5所示。可以看到，室溫和300 ℃實驗后，時效態GH4090合金彈簧的自由高度和載荷均未變化，說明在該實驗條件下時效態GH4090合金彈簧無松弛、無蠕變。350 ℃實驗后，時效態GH4090合金彈簧的自由高度變化了0.01 mm，對應蠕變率為0.05%；載荷變化了0.01 N，對應應力松弛率為1.08%。400 ℃實驗后，時效態GH4090合金彈簧的自由高度變化了0.03 mm，對應蠕變率為0.15%；載荷變化了0.01 N，對應應力松弛率為1.09%。可以看到時效態GH4090合金彈簧在較高的350和400 ℃下，仍具有優異的抗松弛性能。GH4090合金彈簧優異的抗松弛性能得益于鎳基高溫合金的多合金元素協同效應和獨特的組織結構。

不同彈性材料在抗松弛實驗后松弛規律存在差異，其內在原因在于不同材料含有不同的合金元素[12]。根據化學成分表1可看到GH4090合金化學成分復雜，其中Ni含量約為60%，Co含量為16.22%。Ni是強烈形成并穩定奧氏體且可以擴大奧氏體區的元素，同時可以提高合金的再結晶溫度，增加材料的抗應力松弛能力，是影響彈簧長度變化的重要因素[13]。Co的主要作用是固溶強化基體，能夠降低基體的層錯能(Stacking Fault Energy，SFE)，降低Al、Ti在基體中的溶解度從而增加γ＇相的數量和提高γ＇相的溶解溫度，這些作用均能顯著提高合金的蠕變抗力[14-17]。雖然鎳基高溫合金成分十分復雜，但組織相對簡單：面心立方γ相基體上分布著高體積分數的有序γ＇相(典型體積為40%～70%，尺寸是0.01～0.1 μm)和體積分數大約為5%的碳化物相，但因碳化物間距較大，對位錯運動的阻礙作用有限，通常認為鎳基高溫合金塑性變形中對位錯運動起主要阻礙作用的是γ＇沉淀相[18]。γ＇相的溶解溫度范圍為843～871 ℃，析出溫度為593～816 ℃[19]。在100 ℃以上，γ＇相對合金起主要強化作用[20]。本實驗用時效態GH4090合金彈簧進行了650 ℃×4 h時效處理，顯微形貌如圖6所示，可以看到碳化物主要沿晶界上析出，晶內只有極少數區域有塊狀碳化物的存在，細小的γ＇相呈球狀彌散分布在基體之中，平均尺寸為34 nm，這是該材料具有優良抗松弛能力的主要原因。

表2 時效態GH4090合金彈簧靜態抗松弛實驗結果Table 2 Static anti relaxation test results of aged GH4090superalloy spring

圖5 時效態GH4090合金彈簧靜態抗松弛實驗結果Fig 5 Static anti relaxation test results of aged GH4090 superalloy spring

圖6 GH4090合金時效后強化相γ＇形貌 (a)(b) 650 ℃×4 hFig 6 Morphology of γ′ phase after GH4090 superalloy aging strengthening (a)(b) 650 ℃×4 h

層錯能作為金屬材料的一個重要物理性質[21]。在變形期間，材料的層錯能對位錯運動方式有較大的影響，因而層錯能對金屬材料的力學及蠕變松弛性能有重要影響[22-23]。奧氏體合金中，Ni[13]、Cr[24]、Co[14]、Al[25]等元素都可降低合金的層錯能。材料層錯能較低時，變形過程中分解的位錯易于擴展，可形成肖克萊不全位錯+超晶格本征層錯(Super-lat-tice Intrinsic Stacking Fault，SISF)的位錯組態，由于擴展的位錯不易束集，難以進行交滑移，因而可增加位錯運動的阻力，提高合金的蠕變抗力[21]；其次，材料低層錯能狀態下，位錯密度和孿晶比例較高，使晶界在變形過程中產生不完全位錯，提高位錯的儲能能力，增加材料的加工硬化能力，也是材料抗應力衰減能力增加原因之一[26]。

2.2 動態抗松弛實驗

圖7為動態抗松弛實驗后GH4090合金彈簧試樣，可以看到實驗后各彈簧均保持形態完整，沒有發生斷裂，且各彈簧的長度基本相同，未看到長度明顯變化，說明各彈簧松弛不明顯。

圖7 動態抗松弛實驗GH4090合金彈簧試樣Fig 7 Dynamic relaxation test GH4090 superalloy spring sample

不同溫度下，動態抗松弛實驗結果如下表3和圖8所示。可以看到，不同溫度下變形態和時效態的GH4090合金彈簧均發生了松弛。室溫下變形態GH4090合金彈簧自由高度變化了0.04 mm，對應蠕變率為0.20%；載荷變化了0.03 N，對應松弛率為3.30%。350 ℃下變形態GH4090合金彈簧的自由高度變化了0.97 mm，對應蠕變率為4.18%；載荷變化了0.15N，對應應力松弛率為16.85%。室溫下時效態GH4090合金彈簧的自由高度和載荷均未變化，說明在該實驗環境下時效態GH4090合金彈簧無松弛。350 ℃下時效態GH4090合金彈簧的自由高度變化了0.07 mm，對應蠕變率為0.35%；載荷變化了0.03 N，對應應力松弛率為3.23%。

表3 GH4090合金彈簧動態抗松弛實驗結果Table 3 Dynamic anti relaxation test results of GH4090superalloy spring

圖8 GH4090合金彈簧動態抗松弛實驗結果Fig 8 Dynamic anti relaxation test results of GH4090 superalloy spring

首先可以看到，時效態GH4090合金彈簧抗松弛性能明顯優于變形態。根據前面分析，經過650 ℃×4 h時效處理，能夠使合金基體中析出一定數量和大小的強化相，增加合金高溫強度，達到合金最大強化效果，提升合金抗松弛性能[31-32]。再者，絲材拉拔和卷簧等彈塑性變形過程中，殘留在彈簧內部的殘余拉應力若不能及時消除，會降低彈簧的疲勞強度[33]，因而時效處理在也起到去應力退火，穩定組織和結構作用。

同時，還注意到，無論是變形態還是時效態GH4090合金彈簧，松弛現象均是隨著溫度的增加而更加明顯，而變形態的增加趨勢尤為突出。彈簧在周期應力作用下，隨著應力增加導致材料內局部應力增大，存在于彈簧內部的部分位錯源便可獲得足夠能量引起新位錯開動，導致內部位錯密度增加[34]，塑性應變產生速度加快，最終表現為應力松弛速率增加。變形態相比時效態，材料內部位錯密度更大，因而塑性應變速度加速更快，最終表現為應力松弛速率增加更快。再者，對于未及時消除絲材拉拔和卷簧等彈塑性變形過程中儲存在彈簧內的機械能的變形態彈簧，相對于經時效處理的時效態彈簧處于一種不穩定狀態，如僅卷簧過程外界提供的機械能，約5%～10%的能量存儲在金屬內部，以空位，位錯以及不均勻分布的內應力的形式存在，使材料內部自由能升高，而應力松弛是彈簧材料由高能向低能狀態轉化的過程，是使彈簧內部自由能逐步降低趨向穩定的過程[35]，外界溫度的升高，加速了該過程的進行，宏觀表現出松弛現象更明顯[36]。

3 結 論

(1)靜態抗松弛實驗結果表明，時效態GH4090合金彈簧在室溫和300 ℃下無松弛、無蠕變；350和400 ℃下應力松弛率分別為1.08%和1.09%。

(2)動態抗松弛實驗后變形態和時效態GH4090合金彈簧均保持形態完整，沒有發生斷裂。時效態GH4090合金彈簧的抗松弛性能明顯優于變形態。時效態GH4090合金彈簧在室溫下無松弛，350 ℃下應力松弛率為3.23%；變形態GH4090合金彈簧室溫和350 ℃下應力松弛率分別為3.30%和16.85%。

(3)靜態和動態抗松弛實驗結果表明，變形態和時效態GH4090合金彈簧的松弛率均隨溫度的升高而增大，且變形態松弛率變化尤為明顯。