高溫合金GH1140的冷熱循環處理研究

劉勁松，蒲金魁，黃利銀

（1. 長沙航空職業技術學院，湖南 長沙 410124；2. 國營錦江機器廠，四川 成都 610043）

高溫合金是以高熔點金屬Ni（1450 ℃）、Co（1480 ℃）等為基體的金屬材料，目前在先進的航空發動機中，所占比例已高達50% 以上（參見表1），此外在能源、冶金和化工等領域也有廣泛應用[1-3]，高溫合金的應用領域如圖1所示。

表1 航空發動機對高溫合金的需求

圖1 高溫合金的應用領域

鐵基變形高溫合金GH1140能承受一定壓力，并具有抗氧化和抗腐蝕能力，在沖壓、焊接等工藝中性能表現優良，適用于制造航空航天、燃氣輪機等一般承力部件，和850 ℃以下工作的噴氣發動機燃燒室等零部件。

深冷處理是一種工藝可行、成本低、操作簡單的新技術,不改變材料形狀,通過改變材料內部顯微組織結構來改善材料綜合性能,已經在機械工藝制造中扮演著重要的角色，可有效提高零件的耐磨性、疲勞性能和尺寸穩定性，引起科學界和工業界的高度重視，并得到越來越廣泛的應用[4-6]。冷熱循環工藝是將深冷保溫與室溫以上溫度保溫進行周期循環處理的新工藝，具有消除殘余應力、提高尺寸穩定性及微變形抗力等作用[7]。

目前，對深冷處理的研究主要集中在鋼鐵、鋁合金和硬質合金等有色金屬[8-11]，而對高溫合金深冷處理的報道較少。本文將深冷處理技術引入高溫合金領域，以較低的成本對高溫合金進行深冷處理，探索了鐵基高溫合金GH1140在深冷處理和循環處理過程中的組織演變規律和性能變化機理，為高溫合金的設計、制造以及新產品研發以及拓寬深冷處理的實際應用領域提供堅實的理論基礎和有積極價值的技術依據。

1 試驗設計

表2 GH1140合金的標準化學成分范圍

首先通過線切割加工若干個小試樣，然后將小試樣分成A1、A2、A3及B1、B2、B3共6組，每組3個。

將高溫合金試樣放在液氮中分別進行5 h、10 h、15 h深冷處理，深冷處理試驗方案如下：

（1）深冷處理工藝A1（-190 ℃降溫-保溫5 h）

（2）深冷處理工藝A2（-190 ℃降溫-保溫10 h）

（3）深冷處理工藝A3（-190 ℃降溫-保溫15 h）

（4）深冷處理工藝B1（-190 ℃降溫-保溫5 h + 升溫180 ℃*6 h）

（5）深冷處理工藝B2（-190 ℃降溫-保溫10 h + 升溫180 ℃*6 h）

（6）深冷處理工藝B3（-190 ℃降溫-保溫15 h+升溫180 ℃*6 h）

上述各個動作均采用電氣控制，通過控制柜面板進行操作，為方便操作，增設一個HS-14S遙控器，在控制柜和遙控器之間，可任選一種操作方式。

深冷處理設備如圖2所示，試驗結束后，取出試樣，然后在室溫下測試其力學性能。

圖2 深冷處理的專用設備

2 試驗結果與分析

經過深冷處理后，硬度值通過HV-1000硬度計進行測量(每個數據為3個試樣硬度的平均值)，抗拉強度通過TD-6000A電子拉力試驗機進行測試（拉伸試樣如圖3所示），材料的金相組織通過 SEM 進行研究。

圖3 板材拉伸試樣示意圖

圖4是深冷處理不同時間后的硬度柱狀圖，可以看出，該材料經過深冷處理后，硬度提高。經15 h的深冷處理后，材料的顯微硬度從189 HV提高到209 HV，升幅達到11%。

圖4 深冷時間對GH1140顯微硬度的影響

深冷處理5 h、10 h及15 h后再分別升溫至180 ℃并持續6 h，對GH1140的顯微硬度幾乎沒有影響。

圖5是高溫合金GH1140經過不同深冷時間處理后的拉伸強度曲線。可以看出，經5 h的深冷處理后，材料的抗拉強度下降。繼續延長深冷處理時間至 10 h及15 h 后，抗拉強度略有變化，這證明了低溫處理對材料的強度幾乎沒有影響。GH1140不僅適用于高溫環境，而且具有良好的低溫強度和更廣泛的應用范圍。

圖5 不同深冷方式對GH1140抗拉強度的影響

深冷處理5 h、10 h及15 h后再分別升溫至180 ℃并持續6 h，GH1140的抗拉強度繼續下降，隨后升高至732 MPa。

圖6是經過不同時間深冷處理后得到的GH1140的金相組織。可以看出，經5 h、10 h及15 h深冷處理后，材料的組織變化明顯，顯微硬度顯著提高，抗拉強度下降。

圖6 深冷處理后GH1140合金的顯微組織

一方面，由于GH1140為鐵基固溶強化型高溫合金，固溶處理之后，組織為單相奧氏體和以夾雜物形式而存在的一次析出相 Ti(CN)。 在深冷處理過程中，奧氏體組織逐步轉變為馬氏體組織，晶粒發生轉動，形成大量孿晶，從而提高了材料的硬度；另一方面，由于深冷處理導致基體晶格常數降低，GH1140在深冷處理后析出第二相粒子，顯微組織中分布更多更細的碳化物硬質點，從而使得高溫合金的硬度得到提高。

此外，深冷處理形成馬氏體的轉變過程中GH1140比容增大，同時由于熱脹冷縮的作用，GH1140表面形成較大的壓應力層，不僅可以使得該材料的硬度得到大幅度提高，而且可以有效避免表面裂紋的產生；在深冷處理過程中，引起材料內部組織的收縮。這會使GH1140本身的小缺陷，如應力集中部位和微孔，產生塑性流。復溫過程中，將在高溫合金的空位表面產生殘余應力，這種殘余應力可以減少缺陷對局部強度的損傷，使GH1140的力學性能得到提高。

冷熱循環過程中，-190℃的冷卻過程會導致微孔等內應力集中部位發生塑性流變；而在180 ℃，6 h的加熱和保溫過程中，殘余應力會在空位表面產生，可減小缺陷對GH1140的損害，提升高溫合金的局部強度；另外組織結構不均勻的熱脹冷縮效應，引發不均勻微塑性變形，從而釋放內部殘余應力，提高尺寸穩定性。

3 結論

（1）深冷作用能使無相變材料的晶界發生畸變而改善微細化合物即硬質點的分布，內部形成大量應力應變，產生位錯和破碎晶粒，從而使得材料中存有較大的殘余應力，還可析出細小顆粒形成第二相強化。

（2）通過短時間深冷處理，GH1140可以獲得更高硬度，但是深冷處理對強度影響不大，這說明GH1140鐵基高溫合金在低溫下也具有良好的力學性能，適合低溫環境下的應用。

（3）GH1140經-190 ℃，5 h、10 h及15 h的深冷處理后，再分別升溫至180 ℃并持續6 h，抗拉強度則隨著深冷處理時間的延長，先降后升至732 MPa；但冷熱循環處理對GH1140的硬度影響不大。