恢復(fù)熱處理對K403鎳基高溫合金組織與性能的影響

吳業(yè)瓊， 雷 勇， 司 艷， 秦 江， 王 軼， 程小紅， 陳新悅， 楊 浩

(1. 成都天翔動力技術(shù)研究院， 四川 成都 610093；2. 成都航利實(shí)業(yè)(集團(tuán))有限公司， 四川 成都 611936)

K403合金是鎳基沉淀硬化型等軸鑄造高溫合金，是基于前蘇聯(lián)ЖС6К-ВИ合金研制出來的，現(xiàn)已應(yīng)用于制造多種航空發(fā)動機(jī)渦輪工作葉片和導(dǎo)向葉片，以及其他高溫環(huán)境使用的零部件。該合金由多種元素進(jìn)行強(qiáng)化，W、Mo、Co元素主要進(jìn)行綜合固溶強(qiáng)化，Al、Ti元素主要進(jìn)行沉淀強(qiáng)化，同時B、Zr和Ce元素進(jìn)行晶界強(qiáng)化。K403合金中的Cr含量較同類鎳基合金的低，抗氧化和耐腐蝕性能較差，所以，該合金制成的零件若在高溫下長期使用，需要涂覆防護(hù)涂層[1-2]。

高壓渦輪葉片在服役過程中承受高溫、復(fù)雜應(yīng)力及燃?xì)飧g等苛刻條件，服役到一定壽命后將不可避免地出現(xiàn)不同類型的損傷，引起材料的組織和性能衰退，影響其使用可靠性，換件處理成本較高。對于在高溫服役過程中因顯微組織不穩(wěn)定而出現(xiàn)的一類損傷，如高溫蠕變損傷，渦輪葉片的性能恢復(fù)通常要借助于熱等靜壓(Hot isostatic pressing, HIP)和/或恢復(fù)熱處理技術(shù)，通過對顯微組織的調(diào)整使材料性能恢復(fù)到甚至超過原來的水平，使其能夠繼續(xù)使用。此項(xiàng)恢復(fù)技術(shù)在國外已廣泛研究，并已應(yīng)用到實(shí)際服役的渦輪葉片上，延長了葉片的使用壽命[3-6]。而在國內(nèi)對這項(xiàng)技術(shù)的研究時間卻不長[7-8]，且基本上都在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，還未進(jìn)行工程化應(yīng)用。

某型發(fā)動機(jī)渦輪葉片由K403合金精密鑄造而成，使用一段時間后，葉片組織發(fā)生明顯的退化。本文采用K403合金試棒模擬工作一段時間的葉片，對試棒進(jìn)行恢復(fù)熱處理，研究試棒處理后的組織和性能，對葉片的恢復(fù)效果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)材料與方法

K403合金鑄態(tài)組織由γ固溶體、γ′相(58%～59%)、γ-γ′(2%)共晶、MC碳化物組成，主要強(qiáng)化相γ′相在高溫處理時會溶解，在隨后的冷卻過程中重新析出細(xì)小、均勻和規(guī)則的γ′相，所以，K403合金具有采用熱處理恢復(fù)其組織的可能。K403合金的化學(xué)成分如表1所示，鑄態(tài)試棒的原始尺寸為φ15 mm×70 mm，按HB 5150—1996《金屬高溫拉伸持久試驗(yàn)方法》中直徑為φ5 mm的試樣尺寸和要求加工成高溫拉伸和高溫持久試樣，按HB 5151—1996《金屬高溫拉伸蠕變試驗(yàn)方法》中直徑φ5 mm的試樣尺寸和要求加工成高溫蠕變試樣。根據(jù)YJ 0041—1981《K403熔模鑄造渦輪工作葉片驗(yàn)收技術(shù)條件》中的相關(guān)要求，高溫拉伸試驗(yàn)溫度為800 ℃，高溫持久和蠕變條件為800 ℃/510 MPa。

表1 K403合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

對合金試棒在一定溫度和應(yīng)力下持久試驗(yàn)一段時間，再隨爐冷卻，即為預(yù)先應(yīng)力時效試驗(yàn)。本文采用預(yù)先應(yīng)力時效的方法模擬工作一段時間的葉片，用于對試棒恢復(fù)后的組織和性能進(jìn)行驗(yàn)證，恢復(fù)熱處理制度為1250 ℃保溫5 h。以(τi+τii-τ0)/τ0計算恢復(fù)后的總持久壽命提高率，式中τ0為合金試棒的持久壽命，τi為試棒預(yù)先應(yīng)力時效時間，τii為預(yù)先應(yīng)力時效試棒恢復(fù)熱處理后的持久壽命。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 鑄造試棒的組織與性能

由于鑄造試棒不同部位的組織存在差異，分析了K403合金試棒端面和中部的組織，如圖1所示。可見，合金試棒組織中γ′相尺寸較大，形狀不規(guī)則；端面的γ′相尺寸較中部的小，形狀也較中部的規(guī)則。

圖1 鑄態(tài)K403合金試棒不同部位的微觀組織

某型發(fā)動機(jī)K403合金高渦葉片表面有一層滲鋁層，為了模擬葉片，持久試樣先按葉片滲鋁工藝進(jìn)行滲鋁處理后再進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。K403合金試棒的高溫拉伸和高溫持久性能都滿足YJ 0041—1981中的要求，如表2和表3所示。

表2 鑄態(tài)K403合金試棒的高溫持久性能(800 ℃/510 MPa)

表3 鑄態(tài)K403合金試棒的高溫拉伸性能(800 ℃)

有研究表明[9]，高溫合金可以采用恢復(fù)熱處理進(jìn)行組織性能恢復(fù)的條件是總的蠕變斷裂時間與第3階段蠕變時間的比值大于1.5，而較佳的恢復(fù)熱處理時機(jī)在高溫合金蠕變曲線上的第2階段中后期。為了研究K403合金在使用溫度附近的蠕變性能，測試了合金在800 ℃/510 MPa條件下的蠕變性能，蠕變曲線如圖2所示。從圖2可以大致得出，蠕變3個階段的時間分別為15、60、80 h，總的蠕變斷裂時間與第3階段蠕變時間的比值約為1.9，所以，K403合金可以采用真空熱處理來恢復(fù)其組織與性能，且安全恢復(fù)熱處理時間應(yīng)在75 h之前。

圖2 鑄態(tài)K403合金試棒在800 ℃/510 MPa條件下的蠕變曲線

2.2 預(yù)先應(yīng)力時效試棒的組織與性能

由于持久試樣和蠕變試樣取樣、加工以及試驗(yàn)加載方式的不同，使得持久和蠕變試驗(yàn)結(jié)果有所差異。由表2可以得出，鑄態(tài)合金試棒的持久壽命約為83.6 h，對應(yīng)壽命的3/4(約62 h)和7/8(約73 h)分別接近合金蠕變曲線上的第2階段中期和后期，對經(jīng)歷這兩個持久時間的試棒進(jìn)行恢復(fù)熱處理，分析測試其恢復(fù)后的組織與性能，定性驗(yàn)證恢復(fù)效果。

K403合金試棒預(yù)先應(yīng)力時效62 h和73 h及其恢復(fù)熱處理后的顯微組織如圖3～圖6所示。恢復(fù)前試棒的組織粗大，γ′相形狀不規(guī)則；恢復(fù)熱處理后，預(yù)先應(yīng)力時效不同時間的試棒γ′相都明顯細(xì)化，其形狀也接近立方形貌，組織恢復(fù)的較好。另外，碳化物有所分解，無拓?fù)涿芘畔?TCP)析出。

圖3 K403合金試棒預(yù)先應(yīng)力時效62 h后不同部位的SEM照片

圖4 K403合金試棒預(yù)先應(yīng)力時效62 h再恢復(fù)熱處理后不同部位的SEM照片

圖5 K403合金試棒預(yù)先應(yīng)力時效73 h后不同部位的SEM

圖6 K403合金試棒預(yù)先應(yīng)力時效73 h再恢復(fù)熱處理后不同部位的SEM照片

對預(yù)先應(yīng)力時效62 h和73 h的K403合金試棒進(jìn)行高溫拉伸和高溫持久性能測試，分析其剩余強(qiáng)度和壽命，結(jié)果如表4所示，可以看出經(jīng)不同時間預(yù)先應(yīng)力時效后的合金試棒抗拉強(qiáng)度和持久壽命仍然滿足YJ 0041—1981中的要求(Rm≥785 MPa，τ≥40 h)。可能由于在組織明顯變化和裂紋形成之前，延長預(yù)先時效時間有利于合金的持久性能，從而使預(yù)先應(yīng)力時效73 h的試樣持久斷裂時間更長。

表4 預(yù)先應(yīng)力時效不同時間K403合金試樣的高溫抗拉強(qiáng)度(800 ℃)和高溫持久斷裂時間(800 ℃/510 MPa)

恢復(fù)熱處理后的K403合金試棒按葉片的滲鋁工藝進(jìn)行滲鋁處理，然后再進(jìn)行高溫拉伸和高溫持久試驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。將表2、表3和表5對比可得，預(yù)先應(yīng)力時效試樣恢復(fù)熱處理后，其抗拉強(qiáng)度和持久壽命都優(yōu)于原始試棒；伸長率和斷面收縮率分別在7%和10%左右，較原始試棒略微降低。由于經(jīng)恢復(fù)熱處理的預(yù)先應(yīng)力時效試棒經(jīng)應(yīng)力時效和滲鋁處理，這些處理可能增加了試棒的差異性，從而使試驗(yàn)結(jié)果分散性增大。兩個預(yù)先應(yīng)力時效時間試棒恢復(fù)熱處理后的平均持久壽命都在100 h左右，最低持久壽命提高率達(dá)77%((62.0+86.0-83.6)/83.6)。在組織中未出現(xiàn)空洞或裂紋之前，預(yù)先應(yīng)力時效時間越長，恢復(fù)熱處理后試棒的持久壽命提高率越大，如(62.0+101.0-83.6)/83.6=95%，而(73.0+100.3-83.6)/83.6=107%。

表5 預(yù)先應(yīng)力時效不同時間的K403合金試樣恢復(fù)熱處理后的高溫拉伸(800 ℃)和高溫持久壽命(800 ℃/510 MPa)

3 結(jié)論

1) K403合金采用恢復(fù)熱處理(1250 ℃保溫5 h)可有效恢復(fù)其組織與性能，且恢復(fù)熱處理后組織、高溫拉伸及高溫持久性能均優(yōu)于原始合金試棒。

2) 在一定的應(yīng)力時效范圍內(nèi)，預(yù)先應(yīng)力時效時間越長，K403合金試棒的高溫持久壽命提高率越高，預(yù)先應(yīng)力時效62 h和73 h后恢復(fù)熱處理的試棒平均高溫持久壽命提高率分別為95%和107%，高溫持久壽命都在100 h左右。