A-100鋼鍛造工藝參數和大型模鍛件應用研究

劉偉紅，賀 韡，陳素明

(1.中航西安飛機工業集團股份有限公司，陜西 西安 710089; 2.空裝駐西安地區第一軍事代表室，陜西 西安 710089)

A-100 鋼是美國Carpenter技術公司在1992年開發的一種新型的超高強度鋼，其名義化學成分為Fe-0.23C-11.73Ni-13.85Co-3.13Cr-1.25Mo，簡稱A-100鋼。該合金具有突出的綜合性能：高的強度、斷裂韌性、延展性和抗疲勞性能。其抗拉強度可達1 930 MPa以上，斷裂韌性超過了110 MPa·m-2，同時它還具有更加優良的抗應力腐蝕斷裂和抗疲勞斷裂的能力，是航空航天的理想材料。主要用于要求材料具有高強、高韌的零部件的制造上[1-3]。

對于如何發掘A-100鋼的力學性能，達到強度和斷裂韌性的最佳匹配，國外學者進行了大量研究。最初，A-100鋼σb=1 965 MPa，KIC= 115 MPa·m-2。后來，Reghavan等人通過優化時效工藝取得了σb>2 000 MPa，KIC=149.3 MPa·m-2。Lee僅改進鍛造工藝實現了σb=2 069 MPa，KIC>121 MPa·m-2。KojiSato通過對鋼中夾雜物的改性使鋼的性能達到了σb=1 946 MPa，KIC=182.4 MPa·m-2[4]。

國內對于提升A-100鋼綜合性能的研究基本都集中在對鋼中雜質元素和微量元素的控制上[5-7]。對于如何通過優化鍛造工藝參數，借助大壓力的鍛造設備，獲得8級以上的細晶組織進而提升A-100鋼的綜合性能，目前還研究較少。

本文通過小試樣鐓粗實驗，研究鍛造工藝參數和A-100鋼晶粒度之間的關系，在得到較優化的鍛造工藝參數的基礎上，利用400 MN大型模鍛液壓機，在國內首次成功生產出了晶粒度滿足8級要求的大型A-100鋼模鍛件，實現了A-100鋼細晶化鍛造技術的工程化。

1 原材料和實驗方法

實驗材料是A-100高鎳鈷二次硬化型超高強度鋼。實驗采用規格為Φ20 mm×22 mm的圓柱試樣。試樣的原始組織為晶粒度為7.7級的等軸晶粒,如圖1所示。

圖1 試樣原始組織

實驗分兩部分進行。第一部分：在變形速率為0.1 s-1時，分別研究變形溫度和變形量對A-100鋼晶粒度的影響，變形溫度分別為980、1 050、1 100、1 150 ℃，變形量分別為0%、10%、30%和50%。

第二部分：研究變形溫度為1 050 ℃、最后一火次變形量為50%，其余火次變形量為0%時，加熱火次對A-100鋼晶粒度的影響。實驗選取的加熱火次為1次和2次。

為使晶粒度容易觀察，最終熱處理只做淬火處理，具體熱處理制度為：預備熱處理：900 ℃保溫1 h空冷，680 ℃保溫8 h空冷；最終熱處理：885 ℃保溫1h油冷。采用線切割方法將試樣沿軸線剖開，制作成高倍試樣，在徠卡DMLM型金相顯微鏡下進行觀察，每個試樣隨機選取三個視場，采用截點法并由專用軟件分析得到晶粒度級別，晶粒度評級方法按照GB/T 6394 (ASTM E112—2010)進行，晶粒度檢測結果以平均值報出。

2 實驗結果與分析

2.1 變形溫度和變形量對A-100鋼晶粒度和顯微組織的影響

表1為不同變形溫度和變形量下A-100鋼晶粒度級別。由表1可以看出，在同一溫度下，隨變形量的增大，晶粒度越大；同樣的變形量下，隨變形溫度的增大，晶粒度級別先增大后減小。在變形溫度為980 ℃，變形量為0和10%時，晶粒度也可以到達7.7～7.8級，這與原材料的晶粒度相當，表示在此溫度下，10%以下的小變形量也不會使晶粒長大，當變形量到30%以上時，晶粒度較原材料略有提高。在變形溫度為1 050 ℃時，變形量在10%以下時，晶粒度級別也與原材料基本相當，30%以上的變形量會使晶粒度級別明顯提高到8.3級以上。在變形溫度為1 100 ℃以上時，晶粒開始顯著長大，晶粒度較原材料下降明顯，尤其是10%以下的小變形時，晶粒度降低到了7級以下。

表1 不同變形溫度和變形量下的晶粒度

圖2為不同變形溫度和變形量下A-100鋼的顯微組織。由圖2可以看出，在變形溫度為980 ℃時，不變形的試樣組織形態基本保持了原材料的顯微組織形態，但晶粒尺寸比原材料有所增大，50%變形量的試樣部分晶粒呈長條狀，晶粒尺寸有所減小，為典型的塑性變形組織，表明在此溫度下，還沒有發生完全的動態再結晶。在1 050 ℃時，未變形的試樣晶界較模糊，部分晶粒長大明顯，50%變形量的晶粒為完全的等軸組織，表示在此溫度下已發生了完全的動態再結晶，從而使晶粒細化。變形溫度為1 100 ℃時，不變形和50%變形量的試樣，部分晶粒都已經有一定程度的長大，晶粒大小不均勻。1 150 ℃時，不變形和50%變形量的試樣，晶粒都明顯粗化。這表明在實驗工藝條件范圍內，A-100鋼完全動態再結晶溫度在1 050～1 100 ℃。

圖2 不同溫度和變形量下的顯微組織

2.2 加熱火次對A-100鋼晶粒度和顯微組織的影響

由變形溫度對A-100鋼晶粒度的影響可以看出，在實驗工藝條件下，變形溫度為1 050 ℃時，晶粒最細小，晶粒度級別最大。在實際工程化應用中，考慮到鍛壓設備能力、復雜鍛件外形尺寸和表面質量要求等因素，加熱火次的選擇也尤為重要。因此選擇變形溫度為1 050 ℃，分別進行1次加熱50%變形和1次加熱空燒后再進行1次50%變形，考察加熱火次對A-100鋼晶粒度和顯微組織的影響。

表2為變形溫度為1 050 ℃、變形量為50%時，分別加熱1火和2火后的A-100鋼晶粒度，圖3為對應的鍛造參數工藝參數下A-100鋼的顯微組織。從表2可以看出，當加熱火次為2次時，雖然第2火的加熱溫度和變形量等參數與只加熱1次的完全相同，但首先進行了一次空燒無變形，晶粒度只有7.8級，相比于只進行一次加熱的情況，其晶粒度降低了0.7級。從表3可以看出，兩火次加熱相比于一火次加熱，部分晶粒長大明顯，且晶粒尺寸不均勻。

表2 不同加熱火次后的晶粒度

圖3 分別加熱1火和2火后的晶粒度

3 A-100鋼細晶化大型模鍛件研制

從變形溫度和變形量對A-100鋼晶粒度和顯微組織的影響，以及加熱火次對A-100鋼晶粒度和顯微組織的影響兩方面的研究可以看出，控制變形溫度為1 050 ℃、變形量為30%～50%，并一火次成形，可以得到8級以上細小、均勻的顯微組織。

使用上述較優化的工藝參數，通過數值模擬技術得到了較優化的坯料，使之滿足一火次模鍛時，鍛件各部位變形量為30%～50%的條件，在某公司400MN模鍛液壓機上試制了兩批次某型飛機A-100鋼模鍛件。試制結果表明，鍛件心部和表面均達到了8級以上的晶粒度，綜合性能全面達標。圖4為通過數值模擬得到的模鍛完成后鍛件典型橫截面的變形量分布圖。

圖5為A-100鋼起落架模鍛件顯微組織，表3為A-100鋼起落架模鍛件力學性能。

圖5 A-100鋼模鍛件顯微組織

從圖5可以看出，模鍛件表面和心部組織均細小，均勻；從表3可以看出，兩批次模鍛件均達到了優良的綜合性能，尤其在優化鍛造工藝參數的基礎上，首次在國內取得了σb>1 950 MPa，KIC>150 MPa·m-2，具有優良綜合性能的細晶化大型A-100鋼模鍛件。

表3 A-100鋼模鍛件力學性能

4 結 論

(1)在同一溫度下，隨變形量的增大，A-100鋼晶粒度越大。在變形溫度為980 ℃時，變形量在10%以下時，晶粒度和原材料相當，變形量在30%以上時，晶粒度較材料略有增大。在變形溫度為1 050 ℃時，變形量在10%以下時，晶粒度同樣和原材料相當，變形量在30%以上時，晶粒度級別提高到8.3級以上。在變形溫度為1 100 ℃以上時，晶粒開始顯著長大，晶粒度較原材料下降明顯。因此，變形溫度為1 050 ℃、變形量為30%～50%為較優化的鍛造工藝參數。

(2)變形溫度為1 050 ℃時，加熱一次并在變形量為50%的條件下，A-100鋼晶粒度為8.5級；加熱空燒一次，并再次加熱在50%變形量的條件下，晶粒度為7.8級，并有晶粒大小不均勻的現象。因此，一火次成形有利于實現A-100鋼的細晶化。

(3)采用得到的較優化的工藝參數，試制了兩批次某型飛機A-100鋼模鍛件。試制結果表明，鍛件心部和表面均達到了8級以上的晶粒度。在優化鍛造工藝參數的基礎上，首次在國內取得了σb>1 950 MPa，KIC>150 MPa·m-2，具有優良綜合性能的細晶化大型A-100鋼模鍛件。