钼合金配气阀体材料性能分析及改进措施

鲍海阁, 童法松, 王天潇

(海军驻鞍山钢铁集团公司 军事代表室, 辽宁 鞍山, 114009)

钼合金配气阀体材料性能分析及改进措施

鲍海阁, 童法松, 王天潇

(海军驻鞍山钢铁集团公司 军事代表室, 辽宁 鞍山, 114009)

针对国内配气阀体易发生开裂问题, 通过化学分析、显微组织观察及拉伸性能比较, 介绍了国内外钼合金配气阀体材料的研究现状, 对其成分、冶金方法和塑性成型等相关工艺进行了综合分析, 提出了在真空熔炼方法基础上利用电子束提纯方法, 通过挤压开坯和多步锻造等措施, 能够满足工程试车要求, 可以有效改善钼合金配气阀体的材料性能。

配气阀体; 钼合金; 显微组织; 拉伸性能

0 引言

鱼雷热动力系统主要采用活塞发动机, 配气阀体作为其核心部件之一, 是连接燃烧室和气缸并按照一定要求给气缸配气的重要装置。阀体在热源和海水频繁的交替作用情况下, 存在很大温度梯度(100～850℃), 从而在基体中产生相当大的热应力, 同时进气孔部位由于气流冲刷在径向上产生较大载荷, 各种应力的叠加使高速转动的阀体工作环境非常恶劣, 因此对阀体材料要求非常严格。钼合金具有良好的高温强度、热疲劳和耐腐蚀性能, 是阀体的最佳候选材料[1-3]。

在鱼雷热动力系统的试验过程中, 曾多次发生配气阀体开裂现象, 经分析, 这与钼合金配气阀体的制备工艺有至关重要的关系。本文通过对钼合金材料的显微组织与性能研究, 总结了国内外配气阀体材料的成分、冶金、塑性成型以及热处理工艺, 为提高阀体质量、发动机稳定性和寿命提供有力支持。

1 俄制阀体材料

俄罗斯鱼雷动力装置配气阀体材料采用的钼合金利用真空熔炼法制备。对其阀体材料进行化学分析, 其成分为工业纯钼, 具体成分如表 1所示。将俄制阀体沿纵向解剖, 进行低倍组织观察(见图1)。组织从边缘到心部并不均匀, 越靠近边缘组织越细小, 并且晶粒不是等轴的, 沿纵向有明显的拉长, 基体流线全部呈纤维状, 无任何部位出现折线, 这是沿纵向剧烈变形的结果, 变形量由边缘向中心部位递减。观察其高倍显微组织(见图 2)发现, 纵向为长条状变形组织, 局部有少许再结晶组织, 横截面上组织大致为等轴晶粒。由此可判断出, 铸锭直接通过大挤压比变形制备出阀体毛坯, 无后续锻造环节, 最后采用了去应力热处理。由于挤压变形径向不同部位的形变量不同, 芯部变形量小且变形热不容易散失, 造成在阀体横截面上各处取样的显微组织不尽相同。

表1 俄制阀体材料成分Table 1 Components of Russian pneumatic valve material

图1 俄制阀体纵面解剖低倍组织Fig. 1 Macrostructure of Russian pneumatic valve material in longitudinal section

图2 俄制阀体横截面和纵剖面显微组织Fig. 2 Microstructures of Russian pneumatic valve material in cross section and longitudinal section

分别沿俄制阀体纵向、横向取样进行室温拉伸性能测试, 结果见表 2。测试结果显示试样强度总体不高, 且有一个横向试样脆断。根据阀体的使用情况推断, 由于在水冷的作用下, 阀体在使用过程中的温度不会太高(＜850℃), 该组织应该与服役前的组织是一致的, 从而排除了环境造成的材料性能变化。因此, 长轴状的晶粒是材料塑性明显波动的主要原因, 显微组织不均匀导致材料力学性能呈现各向异性。

表2 俄制阀体取样室温拉伸性能测试结果Table 2 Test results of tensile strength of Russian pneumatic valve material at room temperature

2 美制阀体材料

美制鱼雷也采用熔炼法钼合金制备配气阀体,经电子探针在阀体基体 10个不同位置对元素进行定量分析, 结果表明, 除1, 2, 7点测出有少量Ti以外, 其他各点全部为 Mo, 化学分析结果表明合金含Zr 0.003%(见表3)。由上述分析结果判断, 美制鱼雷阀体所采用的钼合金成分也为工业纯钼(美系牌号360), Ti, Zr添加量可以作为杂质考虑, 组织为再结晶细晶组织[1]。

表3 美制阀体基体电子探针定量分析结果Table 3 Quantitative analysis results of American pneumatic valve material by electron probe

3 国内阀体材料

3.1 粉末冶金法

国内研制配气阀体初期, 阀体材料与美俄成分不同, 国产阀体材料的化学成分为典型的TZM钼合金(见表4), 通过粉末冶金法制备, 而国外阀体材料多采用纯钼或低合金钼合金, 通过熔炼法制备。观察国产阀体显微组织可以发现, 横截面和纵剖面上晶粒都均匀细小(50～100 μm), 在轴向上通过挤压变形晶粒被拉长, 由于Ti和Zr的加入,在显微组织中出现大量弥散的TiC和ZrC质点(见图3), 在基体起到增强作用[4-5]。

表4 国产阀体材料化学成分Table 4 Chemical composition of domestic pneumatic valve material

图3 国产阀体横截面和纵剖面显微组织Fig. 3 Microstructures of domestic pneumatic valve in cross section and longitudinal section

同时在扫描电镜下观察可以发现,粉末冶金钼合金基体中存在很多黑点(见图 4a), 通过能谱分析表明, 大部分黑点是空洞, 另有一部分是尺寸约为20 μm的夹杂物(见图4b), 这些夹杂物富含Ti和Zr(见图5), 这就解释了粉末冶金钼合金密度为 9.7～9.9 g/cm3, 小于纯钼密度 10.2 g/cm3的原因, 从缺陷形态与成分来看, 显然是材料制备过程中引入的, 这些缺陷在热加工过程中无法消除, 成为永久缺陷。在使用过程中, 这些缺陷极易作为裂纹源, 在外力作用下导致阀体开裂失效, 甚至出现在加工过程中, 由内部应力的作用使阀体开裂, 另外, 材料内含有大量硬质点, 刀具磨损严重, 也给零件加工带来了困难。

图4 国产阀体材料扫描电镜照片Fig. 4 Scanning electron microscope(SEM) photos of domestic pneumatic valve material

图5 扫描电镜下杂质能谱标定Fig. 5 Energy spectrum calibration of impurities under SEM

从表 5中可以看到, 国产阀体轴室温抗拉强度很高, 但塑性在纵向和横向上存在很大差别,纵向的延伸率很理想, 但是横向的延伸率非常低,个别样品的延伸率为零。

表5 国产阀体材料室温拉伸性能测试结果Table 5 Test results of tensile strength of domestic pneumatic valve material at room temperature

分析结果表明, 粉末冶金钼合金阀体由于自身工艺特点, 易造成基体中难以消除的孔洞、夹杂等缺陷, 导致材料致密度小于熔炼工艺制备的合金, 在宏观变形的影响下孔洞会重新分布, 孔洞沿外力方向拉长, 垂直于外力的方向缩短, 使材料性能产生强烈的各向异性, 通常会使垂直主变形方向上的性能明显变差。在加工过程中内应力释放或者使用过程中外加载荷较高时, 容易发生开裂失效[6]。

3.2 真空熔炼法

钼锭采用Mo1钼条作电极, 经2次真空自耗或电子束熔炼制备。国产阀体材料的杂质含量对比俄罗斯阀体(见表6), 由于所用钼条含碳量较高(0.076%), 使采用真空自耗熔炼的阀体材料含碳量也偏高, O和N的含量水平与俄罗斯阀体含量相当。利用近年来工业上采用的金属熔炼新方法电子束熔炼, 轰击固体的电子动能几乎 100%转化为热能, 在金属表面容易造成很大的过热度,金属可以长时间处于液体状态, 杂质通过气液相分界面金属层扩散, 在 10–3～10–4Pa高真空条件下, 有利于低熔点杂质的排出, 提纯效果好, 明显优于二次真空自耗熔炼方法制备。采用上述 2种熔炼方法得到的钼合金铸锭, 其组织皆粗大,柱状晶异常发达。因此采用在压应力状态下挤压开坯后再锻造成毛坯件, 随后进行相应热处理。

表6 国产与俄制阀体材料主要杂质含量对比Table 6 Contrast of main impurities contents between domestic and Russian pneumatic valve materials

通过挤压开坯变形和初步轴向锻造后, 观察阀体横截面和纵剖面的显微组织(见图 6)可以看到, 阀体横截面上显微组织比较均匀, 晶界较为模糊, 局部表现为再结晶组织; 纵向显微组织与横向有明显不同, 整体组织呈纤维状, 晶粒沿阀体的轴向明显拉长, 晶粒尺寸在 50～500 μm 之间。沿横向与纵向取样进行室温性能测试(见表7), 屈服强度和断裂强度在纵向和横向方向表现的比较一致, 但是延伸率差异较大, 纵向的延伸率大于 10%, 表现出很好的塑性, 而横向上延伸率小于 5%, 呈现脆性特征。但相比粉末冶金法,横向塑性有一定的提高。

通过挤压开坯后的钼合金棒材, 内部的晶体结构得到了很大程度上的改善, 但是通过上节分析可以看出, 挤压态组织晶粒度分布差距悬殊,而且内部还存在着严重的各向异性, 得到的力学性能比较分散, 这些都制约着钼合金阀体的使用。为了提高钼合金材料性能, 需要对其进行进一步的变形, 通过锻造获得均匀的组织并稳定其性能。

图6 国产阀体挤压开坯后的显微组织Fig. 6 Microstructure of domestic pneumatic valve material after extrusive breakdown

表7 国产阀体材料挤压开坯后的室温拉伸性能测试结果Table 7 Test results of room temperature tensile strength of domestic valve material after extrusive breakdown

钼及钼合金的锻造温度根据合金程度和尺寸规格的不同, 可以在900～1 500℃下锻造变形, 挤压态钼合金锻造时, 也必然会遇到金属变形不均匀的问题。棒坯墩粗锻造时, 组织不均匀性有所改善, 但是沿着棒材横截面上仍然存在相当大的不均匀性, 因而对机械性能有严重的影响。

为了使锻态的钼合金获得更均匀的组织和稳定的性能, 可以采用重复多次进行变形-再结晶的锻造工艺。实际上实现多次加热变形是极其复杂的工艺过程, 还要结合挤压棒材显微组织特点和阀体使用环境对锻造工艺提出进一步要求。图7为挤压开坯后多次换向锻造后的显微组织形貌。其综合性能表现明显优于一次变形坯料性能(见表8)。

图7 通过多步锻造的阀体坯料显微组织Fig. 7 Microstructure of multi-step forged semifinished valve

4 结束语

为了提高钼合金配气阀体整体性, 满足鱼雷的高航速、远航程和大深度的要求, 须优化钼合金成分和熔炼工艺, 控制杂质含量, 提高铸锭纯净度, 采用挤压开坯、多向锻造来细化晶粒, 改善组织均匀性和降低各向异性, 提高阀体整体性能。

表8 多步锻造成型样品室温拉伸性能Table 8 Room temperature tensile strength of multistep forged finished valve sample

研究了自耗熔炼和电子束熔炼2种工艺, 发现采用电子束熔炼方法提纯效果明显, 有利于原材料中的杂质(O, N, C)排出, 提高了铸锭基体的本征塑性。改进了材料的热加工工艺, 进行换向锻造, 减弱了各向异性和改善组织的均匀性, 尤其加强横向塑性, 提高阀体的薄弱环节。

[1] 王利军, 张占乐. 整体式耐磨合金配气阀体的研究与应用[J]. 鱼雷技术, 1999, 7(1): 21-23.

[2] 崔景元, 胡欲立, 杨杰. 活塞发动机阀体有限元分析[J].机械科学与技术, 2003, 22(z1): 118-120.

Cui Jing-yuan, Hu Yu-li, Yang Jie. Finite Element Analysis of Steam Distributing Valve of Piston Engine[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2003, 22(z1): 118-120.

[3] 赵金凤, 胡欲立, 周鹏. 旋转配气机构有限元分析[J]. 鱼雷技术, 2007, 15(3): 47-50.

Zhao Jin-feng, Hu Yu-li, Zhou Peng. Finite Element Analysis of Rotary Steam- distributing Valves[J].Torpedo Technology, 2007, 15(3): 47-50.

[4] 吴新光, 杜晓斌. TZM 合金及其特征[J]. 中国钼业, 2005, 29(5): 30-31.

Wu Xin-guang, Du Xiao-bin . TZM Alloy and It s Properties[J]. China Molybdenum Industry, 2005, 29(5): 30-31.

[5] 吕忠, 陆培亮, 邢英华. TZM 合金强化机制[J]. 钢铁研究总院学报, 1983, 3(1): 81-84.

[6] 张建德, 曾舟山, 谢飞. 热变形致密细晶粒钼棒的组织和性能[J]. 粉末冶金材料科学与工程, 2008, 13(4): 235-239.

Zhang Jian-de, Zeng Zhou-shan, Xie Fei. Microstructures and Properties of Fine-grained Molybdenum Rod Prepared by Hot Deformation[J]. Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy, 2008, 13(4): 235-239.

(责任编辑: 陈 曦)

Analysis on Properties of Molybdenum Alloy for Pneumatic Valve with Improvement Approaches

BAO Hai-ge, TONG Fa-song, WANG Tian-xiao
(Military Representative Office, Naval Armament Department Stationed in Anshan Iron and Steel Group Corporation, Anshan 114009, China)

Aiming at the crack problem in domestic pneumatic valves, both domestic and foreign molybdenum alloy pneumatic valves are compared in terms of chemical analysis, microstructure, and stretching performance. The components, metallurgies and plastic forming technologies of the molybdenum alloy in China and abroad are analyzed, and some improvement approaches are offered, such as adopting electron beam purification melting method after vacuum melting, and taking extrusive breakdown and multiple forging processes, which can meet the requirement of engineering test. These improvement approaches can improve the properties of molybdenum alloy for pneumatic valve.

pneumatic valve; molybdenum alloy; microstructure; stretching performance

TJ630.32

A

1673-1948(2014)02-0121-05

2013-11-18;

2013-12-25.

鲍海阁(1966-), 男, 高工, 研究方向为舰船材料性能.