A286螺栓晶粒异常长大原因分析

2015-04-23许永春董新燕朱玲玲田柱徐俭武艳军

金属加工(热加工) 2015年23期

■ 许永春，董新燕，朱玲玲，田柱，徐俭，武艳军

A286是Fe-25Ni-15Cr铁基高温合金，加入钼、钛、铝、钒及微量硼元素综合强化。在650℃以下具有较高的屈服强度和持久、蠕变强度，并且具有较好的加工塑性和良好的焊接性能，适合制造在650℃以下长期工作的航空发动机高温承力部件，如涡轮盘、压气机盘、转子叶片和紧固件等。相近的材料牌号为我国的GH2132，法国的ZbNCT25等。

晶粒度是表征材料力学性能的一个重要指标。细小的晶粒可以有效提高金属材料室温力学性能如抗拉强度、屈服强度等，而高温下，较为粗大的晶粒具有更好的高温持久、抗蠕变性能。

我公司对发动机用A286螺栓在成品检测时，反复出现晶粒度超出标准要求，并且存在表层晶粒粗大、心部晶粒细小等带状组织现象，服役后将对发动机造成极大的危害。

A286原材料为真空感应、自耗电极熔炼的进口高温合金棒材，来料状态为固溶态，对原材料进行ICP（电感耦合等离子发射光谱分析仪）分析，其化学成分如表1所示。

对A286原材料进行显微组织分析，具体如图1所示。

从图1中可以看出：图1a为100×下的原材料显微组织与晶粒度，组织均匀，未发现大小相差较大的晶粒，晶粒度为6.5级；图1b为500×下的显微组织形貌，显微组织以固溶孪晶为主，存在规则形状的氮化物（主要为氮化钛夹杂）。

1. 产品显微组织分析

A286螺栓的加工工艺一般为：下料→镦制（头部成形）→普车→固溶→时效→喷砂→滚螺纹等。成品在最终金相检测时，出现了大面积的粗大晶粒，晶粒度远超出标准，且屈服强度不满足标准要求。

图1 原材料显微组织与晶粒度

表1 A286高温合金化学成分（质量分数）（%）

图2显示了宏观组织，图2a中靠近心部，腐蚀较淡，为细晶粒组织，边缘螺纹及靠近边缘部分腐蚀颜色较深，为粗晶粒组织，粗晶范围占整个面积的1/2～2/3，严重超出标准要求；图2b为头部宏观组织形貌，组织较为均匀，未发现存在较大差别。

显微组织如图3所示。图3a为螺纹部位粗大的晶粒，依据ASTM E112进行评级，其晶粒度为1级，标准要求为5级或更细，实测大于标准要求；图3b为螺纹部位心部晶粒，晶粒较为细小，其晶粒度等级为6.5级；图3c为头部的显微组织，晶粒均匀，且较为细小，其晶粒度等级为7.5级。

2. 产品力学性能检测

对表层粗晶粒与心部细晶粒进行显微硬度分析，具体数据参见表2。

从表2表层与心部的显微硬度值来看，二者存在的差异较大，最大相差32HV0.3，最小相差26HV0.3，粗晶粒比细晶粒的显微硬度平均小28HV0.3。其表层与心部硬度曲线如图4所示。

由于产品形状限制，无法用产品进行抗拉强度及屈服强度试验，特选取产品光杆部分加工成标准试样进行力学性能分析，其抗拉强度及屈服强度如表3所示。

从表3力学性能试验数据中可以看出：产品的极限抗拉强度均满足标准要求，而屈服强度仅两个数据大于标准值，其余均不合格。

3. 理论分析

由Hall-Petch公式：

σys=σ0+kyd-1/2

试验已经证明，晶粒越细，材料的强度越高。上述结论可以用晶界位错塞积理论解释。如某晶粒内部中心附近有一位错源，在外加应力的作用下位错沿着某一滑移系移动，当位错在晶界处受阻，使之塞积起来，位错塞积就产生了应力集中。

在同样的外加载荷作用下，粗晶粒晶界附近塞积的位错数要多于细晶粒；位错塞积后对晶粒中心的位错源产生了背向力，当背向力增大到某一数值时，可以抑制位错源运动，细晶粒的背向力要大于粗晶粒，由于粗晶粒塞积的位错多，造成的应力集中大，更容易使相邻的晶粒位错源开动，因此粗晶粒的屈服强度比细晶粒要低。

图2 产品宏观组织（6.7×）

表2 表层与心部显微硬度（HV0.3)

表3 力学性能试验数据

图3 产品显微组织（100×）

由上分析可知，此批A286螺栓屈服强度较低，为产品晶粒较为粗大所造成。

由A286螺栓的加工工艺可知，产品经镦制后，又重新进行了固溶处理，A286固溶温度为982℃，大于其再结晶温度。在固溶时，经过冷变形的A286螺栓发生了再结晶现象。影响再结晶的因素主要为临界变形度，变形度越大，再结晶温度就越小。高温合金在热加工变形中，很大或很小的变形量，经再次固溶时均易产生晶粒异常长大。

资料表明，金属材料的一般临界变形度为2%~10%。由于A286螺栓头部成形时变形量较大，大于临界变形度，所以在固溶时，发生再结晶现象，晶粒正常长大，而杆心部未产生形变，而边缘部分变形量较小，处于临界变形的位置，经固溶后，发生二次再结晶造成晶粒的异常长大。