一种汽车发动机气阀用节镍型高温合金的固溶时效工艺

(1. 泸州职业技术学院 机械工程学院， 四川 泸州 646000； 2. 重庆材料研究院有限公司， 重庆 400707； 3. 国家仪表功能材料工程技术研究中心， 重庆 400707； 4. 四川警察学院 刑事技术系， 四川 泸州 646000)

内燃机包括柴油机和汽油机，是机车和汽车的心脏，而小小的气阀则是内燃机的核心部件和易损部件，运行在温度高、腐蚀强、气流快、磨损大的复杂环境中，其性能的可靠性直接关系到内燃机使用安全性[1-3]。随着内燃机工业的发展，气阀材料也从最初的马氏体铬硅耐热钢逐渐过渡到奥氏体镍耐热钢和镍基高温合金。其中，镍基奥氏体高温合金通过Ni、Al、Ti等金属间化合物的沉淀析出，有着比铁基奥氏体合金更好的高温疲劳强度和高温力学性能，成为高负荷型内燃机排气门的首选材料[2,4]。

其典型代表为Nimonic 90、Nimonic 80A等镍基奥氏体高温合金。尽管它们有着显著的性能优势，但其金属镍含量高达80%以上，价格居高不下[5-6]。气阀作为一种市场产品，其原材料成本也是必须要考虑的重要因素，在保证使用性能的情况下，尽可能降低原材料成本，这在气阀的整个应用领域尤其是民用领域都是非常重要的发展趋势[1,7-9]。基于此，节镍型气阀高温合金随之发展并得到广泛研究和应用，如Inconel 751、Pyroment 31等[4]。为进一步降低金属镍的含量，NCF 5015D、NCF 3015、NCF 440等材料牌号被相继开发，与之相对应的热处理制度也不断被探索[10-13]。本研究以含镍量仅为30%左右的汽车发动机用节镍型高温合金为研究对象，通过研究固溶、时效热处理温度和时间对其力学性能的影响，以期对未来节镍型高温合金的固溶时效热处理制度提供理论依据，促进该类合金在内燃机工业中的应用。

1 试验材料及方法

试验原材料为某公司提供的节镍型高温合金热轧棒材，直径φ9 mm，化学成分如表1所示。样品在900～1100 ℃进行固溶处理，到温装炉，保温时间为10～60 min，样品取出后马上进行水冷。时效处理温度为700～760 ℃，时效时间为4 h，样品取出后自然冷却。每种热处理类型分别制备3个试样，测试结果取其平均值。按照GB/T 13298—1991《金属显微组织检验方法》，选用 5 g 氯化铜+100 mL 盐酸+100 mL 乙醇作为侵蚀剂，分别对热轧原材料以及热处理试样在光学显微镜下进行金相观察。按 GB/T 228—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分: 室温试验方法》及GB/T 231.1—2009《金属材料 布氏硬度试验》进行相关力学性能测试。

表1 节镍型高温合金的化学成分(质量分数，%)

试验中使用的仪器设备主要有CMT4105微机控制电子万能试验机、HBRVU-187.5布洛维光学硬度计、ZBC-2302-1摆锤冲击试验机、RDJ50机械蠕变试验机、OLYMPUS-GX51光学显微镜等。

2 结果与讨论

2.1 原始热轧态样品显微组织分析

图1为原始热轧态样品的横向显微组织。可以清晰看到，原始轧制态试样的晶粒细小、均匀，主要组成为奥氏体孪晶，晶粒度12级。试样的非金属夹杂物评级结果见表2，仅有D类夹杂，该节镍型气阀高温合金的钢质纯净，冶金质量较好。

图1 原始热轧态高温合金的横向显微组织(a)及夹杂物形貌(b)Fig.1 Original transversal microstructure(a) and morphology of inclusion(b) of the as-hot-rolled superalloy

2.2 固溶处理制度的影响

固溶处理是溶解基体内碳化物等得到均匀过饱和的固溶体，便于后续时效处理重新析出晶粒细小、分布均匀的碳化物和强化相的重要手段。气阀用高温合金通过固溶处理，可以获得适宜的晶粒度，以保证该合金在高温恶劣工况下的高温性能[14]。同时，固溶处理还可以消除热轧线棒材热加工所产生的应力，使合金发生再结晶。其中，热处理温度和保温时间是固溶处理应当控制的两个主要参数[15]。

试验研究了保温温度900～1100 ℃、保温时间10～60 min 条件下该气阀高温合金的晶粒长大情况。如图2(a)所示，当温度低于1000 ℃时，同一温度下，保温时间的延长使晶粒缓慢长大，结合其显微组织表征(见图3)，该过程中碳化物部分溶解，沉淀强化作用减弱，固溶强化作用有所提高；当固溶温度进一步升高到1050 ℃时，奥氏体组织随固溶温度的升高和保温时间的延长迅速粗化；当温度达到1100 ℃时，奥氏体晶粒急剧粗化，甚至有混晶组织出现。气阀高温合金奥氏体晶粒在固溶处理过程中，奥氏体晶界的界面能驱动晶界迁移，从而导致晶粒长大，此时析出相基本溶解，对晶界迁移的阻碍和钉扎作用降低，温度进一步升高时这种削弱作用愈加强烈，从而诱使晶粒异常粗化，最终出现混晶组织[16]。

表2 原始热轧态高温合金的非金属夹杂物评级结果

图3 试验合金不同温度下固溶30 min后的显微组织Fig.3 Microstructure of the tested alloy solution treated at different temperatures for 30 min(a) 900 ℃; (b) 950 ℃; (c) 1000 ℃; (d) 1050 ℃; (e) 1100 ℃

图2 试验合金的晶粒度(a)及硬度(b)随固溶温度及保温时间的变化情况Fig.2 Variation of grain size(a) and hardness(b) of the tested alloy with solution treatment temperature and holding time

节镍型气阀高温合金硬度随固溶温度和保温时间的变化情况如图2(b)所示。可以看出，不同固溶温度下，保温时间改变对硬度的影响与晶粒度变化情况类似，即在较低温度下，保温时间的延长使待测样品的硬度缓慢降低，此时碳氮化物溶解速度较慢，硬度下降幅度较小；当固溶温度升高到1050 ℃，晶粒长大明显，且随保温时间延长晶粒进一步长大，导致硬度进一步下降。相比较而言，固溶温度的升高是导致硬度下降的主要因素。热轧态试样硬度约为373 HBW，经固溶处理后，硬度降至200 HBW以下，固溶处理能有效消除热轧产生的内应力，使未溶碳氮化物充分融入奥氏体基体，有利于后续时效处理时强化相的弥散析出[17]。

根据我国汽车行业标准QC/T 469—2016《汽车发动机气门技术条件》、美国汽车工程师协会SAE J775-2018Surfacevehicleinformationreport以及部分企业标准气门高温合金采购技术条件，对于长期高温使用的合金，要求有较好的高温持久和蠕变性能，应选择较高的固溶温度以获得较大的晶粒尺寸，节镍型气阀高温合金晶粒度调质为3～5级较为合适。鉴于此，固溶温度选择为1000～1050 ℃，保温时间选择为30 min，以保证主要强化相必要的析出条件且具有适宜的晶粒度。

2.3 时效处理制度的影响

时效硬化是气阀用高温合金的主要强化机制。在固溶处理后进行时效处理，可以使强化相以适当的数量和分布析出，在该过程中，时效温度和时效时间的选择对合金的性能以及组织有着重要的影响[10]。根据固溶处理后的晶粒度情况，选取1000、1020、1050 ℃三个温度以及30 min保温时间作为固溶热处理条件。首先研究时效温度对力学性能的影响。时效处理制度和试验结果如表3所示。气阀用高温合金强度主要是通过析出Ni3(Al, Ti, Nb)硬化相而提高[18-19]。1000 ℃固溶处理时，晶粒度为6级，随时效温度升高，晶粒度不发生显著变化，但抗拉强度和屈服强度都随时效温度的升高而增加(如表3所示)，这说明较高的时效温度可使该节镍型气阀用高温合金通过沉淀硬化以提升强度。同时，高速往复和气流冲刷下的恶劣工况环境，也要求节镍型气阀高温合金还应具有良好的韧性以保持良好的工作状态。时效过程中，二次碳化物从奥氏体中析出，均匀分布于晶内和晶界，并伴有过饱和固溶体的再结晶。最终的微观结构和性能取决于这两个因素的共同作用[16,20]。随着时效温度升高，伸长率和断面收缩率有所下降，碳氮化物析出增多，颗粒尺寸增大，导致韧性下降。节镍型气阀高温合金要具有良好的力学性能，就必须在强度和韧性之间找到平衡点。从试验数据来看，将720 ℃作为时效温度、保温4 h是比较适宜的。

表3 试验合金热处理工艺及试验结果

如图4所示，当固溶温度从1000 ℃逐渐升高到1050 ℃时，节镍型气阀高温合金的抗拉强度和屈服强度有一定程度的降低，但降低幅度不明显，说明在这一温度区间范围内，其静态强度特性对固溶温度不敏感。而从韧塑性指标来看，随固溶温度升高，伸长率和断面收缩率增加，这主要是由奥氏体晶粒长大引起的。由于节镍型气阀高温合金工作在温度高、腐蚀性强、气流快、磨损大的复杂环境中，因此要求其具有良好的强度、韧性和延展性，从而增加气阀寿命，使发动机运行平稳可靠。据相关汽车行业标准，节镍型气阀高温合金在固溶时效后应具有较高的强度(抗拉强度≥1000 MPa)和韧性(伸长率≥30%、断面收缩率≥50%)等综合性能。为获得匹配度良好的强度和韧性，应根据具体的应用环境选择合适的热处理制度。从试验数据来看，固溶温度最好≥1020 ℃，而时效温度≤720 ℃为宜。

图4 固溶温度对试验合金力学性能的影响(720 ℃时效4 h)Fig.4 Effect of solution treatment temperature on mechanical properties of the tested alloy aged at 720 ℃ for 4 h

2.4 热处理调质后的高温性能

采取1020 ℃固溶处理30 min、水冷，然后在720 ℃时效处理4 h、空冷的固溶时效热处理工艺。在此条件下，该合金的室温抗拉强度为1105 MPa，屈服强度为680 MPa，伸长率为36%，断面收缩率为59%，室温冲击吸收能量(KV2)可达101 J，弹性模量为200 GPa，表现出良好的强韧匹配性能，满足相关标准要求。而高温持久强度试验可帮助判定该合金在模拟高温高压工况下的力学性能，是高温构件设计选材的重要依据[21]。在温度为750 ℃的高温下，加载载荷150 MPa，经固溶时效后合金的持久时间可达68 h以上，加载拉断后其伸长率和断面收缩率分别为34%和55%，表明该固溶时效工艺可得到综合性能优良的节镍型气阀高温合金，固溶时效后的合金在温度、应力共同作用下，在规定的持续时间内具有良好的强度和韧塑性，有利于其低周疲劳性能和抗裂纹发展能力。

3 结论

1) 在固溶温度900～1100 ℃、保温时间10～60 min 条件下，该节镍型气阀高温合金的晶粒随保温温度的提高和保温时间的延长逐渐长大，升温过程中碳化物部分溶解，沉淀强化作用减弱，固溶强化有所提高。固溶处理能有效消除热轧加工产生的内应力，使未溶碳氮化物充分融入奥氏体基体，有利于后续时效处理时强化相的弥散析出。

2) 在时效温度700～760 ℃条件下，该合金的强度随时效温度升高而增加，该节镍型气阀用高温合金通过沉淀硬化以提升强度。但也注意到，韧塑性是随温度升高而逐渐降低的，为满足合金性能，需在二者之间找到平衡匹配。

3) 在固溶时效热处理工艺为1020 ℃×30 min(水冷)+720 ℃×4 h(空冷)时，合金拥有良好的强度、韧性、延展性和适宜的晶粒度。经调质后，该节镍型高温合金拥有优良的室温和高温力学性能，有利于促进该类合金在内燃机工业中的低成本化应用。