GH4090合金圆柱螺旋弹簧应力松弛性能研究*

李少龙，赵 振，董红莉，张十庆，陈芝来，黄 南，李 方，何钦生，王 宏，白雨松

(1. 中国航发湖南动力机械研究所，湖南，412002； 2. 重庆材料研究院有限公司，重庆 400700；3. 国家仪表功能材料工程技术研究中心，重庆 400700)

0 引 言

GH4090为时效强化型镍基变形高温合金，与英国牌号Nimonic90相近，该合金具有较高的抗拉强度和抗蠕变能力、良好的抗氧化性和耐腐蚀性、在冷热反复作用下具有较高的疲劳强度，常用于涡轮盘、涡轮叶片、高温紧固件、密封圈以及高温弹簧等零部件[1-2]。GH4090合金弹簧丝属于高温合金冷加工产品，具有较高的强度，主要用于制作航空相关组件弹簧，作为一种新型材料应用于重点工程[3]。根据弹簧的服役环境，无论是受静态载荷或是动态载荷，长时间的服役均会导致应力松弛或弹性衰退，严重影响了其在使用过程中的稳定可靠性[4-7]。螺旋弹簧在承受轴向压缩载荷时，其丝径内部受到扭矩和弯矩的混合作用，并且沿其丝径断面应力分布不均匀，因此，即使所承受的载荷小于材料弹性极限，内部某些区域应力仍可能超过材料的弹性极限，使该区域发生塑性变形而造成弹簧的松弛[8]。弹簧的工作温度是弹簧松弛的主要影响因素，弹簧工作温度越高，塑性变形程度越明显，即松弛率越大[7,9-10]。

针对目前国内外对GH4090合金弹簧丝材及其弹簧等元件的研究较少[2,11]，尤其同一规格弹簧的静态和动态抗松弛性能的综合、系统研究更是未见报道。本文以某型号发动机用GH4090合金圆柱螺旋弹簧(下文称GH4090合金弹簧)为研究对象，为真实反映弹簧实际工作环境，制定实验相关参数。研究其在不同温度下的静态抗松弛性能(室温、300、350和400 ℃)和动态抗松弛性能(室温和350 ℃)，获取GH4090合金弹簧相关数据，对推广该材料及其弹性元件广泛应用具有重要意义，同时为该材料弹性元件的设计和制造提供参考。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

实验材料通过真空熔炼+电渣重熔双联冶炼工艺熔炼，依次经过均匀化热处理→锻造→热轧→圆丝冷拉拔↔中间退火热处理→酸洗→最终道次冷拉拔等工序获得GH4090合金弹簧丝材。化学成分如下表1所示。丝材经矫直、卷簧后获得变形态GH4090合金弹簧元件，变形态GH4090合金弹簧经650 ℃×4 h时效处理，获得时效态GH4090合金弹簧元件。时效态丝材的弹性极限σ0.005为1 085 MPa，显微组织如下图1所示，由变形奥氏体孪晶+碳氮化物组成。弹簧元件示意图及实物如下图2所示。弹簧的丝径为0.5 mm，外径为10.5 mm，总圈数为5圈，有效圈数为3圈，螺旋方向为右旋。

表1 GH4090高温合金材料化学成分Table 1 Chemical composition of GH4090Superalloy

图1 时效态GH4090丝材显微组织(Φ0.5 mm)Fig 1 Microstructure of aged GH4090 wire with diameter of 0.5 mm

图2 GH4090合金弹簧 (a)示意图；(b)实验件Fig 2 GH4090 superalloy spring (a)Schematic diagram；(b) Test pieces

很明显，在弹性范围内，弹簧载荷与位移之间关系符合胡克定律。测量时效态GH4090合金弹簧在自由高度H0压缩至15.40 mm范围的位移和载荷，结果如下图3所示，可以看到GH4090合金弹簧载荷和位移之间线性关系较强，相关系数r=-0.9984，两变量之间线性关系密切；利用最小二乘法确定回归系数，得拟合方程P=3.722-0.182H(式中：P为载荷，N；H为位移，mm)，可得弹性系数为0.182 N/mm。

图3 时效态GH4090合金弹簧载荷和位移关系Fig 3 Relationship between load and displacement of aged GH4090superalloy spring

1.2 实验方法

静态抗松弛实验采用螺栓螺母周期作业法，螺栓直径为8 mm，如图4(a)所示，将GH4090合金弹簧高度压缩至15.40 mm，保持8 h，高温实验在HKX-123型实验电炉上完成。动态抗松弛实验在TPL-G2000N型数显机械式低频高温弹簧疲劳实验机上完成，设备如图4(b)所示；弹簧实验件安装固定在直径为8 mm的工装上，如图4(c)所示。将GH4090合金弹簧高度压缩至15.40 mm(位移最低点)，疲劳循环周次3000次，频率2 Hz，波形为正弦波，振幅为±1 mm。高温实验为确保弹簧各部分受热均匀，到温后保温10 min开始实验。实验前测试弹簧的自由高度和压缩至15.40 mm的载荷。高温实验完成后等温度降至室温，取下弹簧，再次测量弹簧的自由高度和压缩至15.40 mm的载荷。弹簧各参数均进行3次重复实验并对实验结果求取平均值。

弹簧松弛和蠕变现象的表现形式不同，但应力松弛(特别是高温应力松弛)和蠕变现象在本质上讲并无区别，应力松弛是蠕变的结果，弹簧的应力松弛率Csr和蠕变率Ccp分别由公式(1)和(2)计算[9]。

(1)

(2)

式中：Csr和Ccp分别为弹簧的应力松弛率和蠕变率；

P0和Pt分别为实验前、后弹簧压缩至给定高度的载荷，本次实验给定高度为15.40 mm。

H0和Ht分别为实验前、后弹簧在给定载荷下的高度，本次实验给定载荷为0，即为自由高度。

图4 (a)静态抗松弛实验；(b)(c)动态抗松弛实验Fig 4 (a) Static relaxation test；(b)(c) Dynamic relaxation test

2 结果与讨论

2.1 静态抗松弛实验

不同温度下，时效态GH4090合金弹簧静态保持8 h抗松弛实验结果如下表2和图5所示。可以看到，室温和300 ℃实验后，时效态GH4090合金弹簧的自由高度和载荷均未变化，说明在该实验条件下时效态GH4090合金弹簧无松弛、无蠕变。350 ℃实验后，时效态GH4090合金弹簧的自由高度变化了0.01 mm，对应蠕变率为0.05%；载荷变化了0.01 N，对应应力松弛率为1.08%。400 ℃实验后，时效态GH4090合金弹簧的自由高度变化了0.03 mm，对应蠕变率为0.15%；载荷变化了0.01 N，对应应力松弛率为1.09%。可以看到时效态GH4090合金弹簧在较高的350和400 ℃下，仍具有优异的抗松弛性能。GH4090合金弹簧优异的抗松弛性能得益于镍基高温合金的多合金元素协同效应和独特的组织结构。

不同弹性材料在抗松弛实验后松弛规律存在差异，其内在原因在于不同材料含有不同的合金元素[12]。根据化学成分表1可看到GH4090合金化学成分复杂，其中Ni含量约为60%，Co含量为16.22%。Ni是强烈形成并稳定奥氏体且可以扩大奥氏体区的元素，同时可以提高合金的再结晶温度，增加材料的抗应力松弛能力，是影响弹簧长度变化的重要因素[13]。Co的主要作用是固溶强化基体，能够降低基体的层错能(Stacking Fault Energy，SFE)，降低Al、Ti在基体中的溶解度从而增加γ＇相的数量和提高γ＇相的溶解温度，这些作用均能显著提高合金的蠕变抗力[14-17]。虽然镍基高温合金成分十分复杂，但组织相对简单：面心立方γ相基体上分布着高体积分数的有序γ＇相(典型体积为40%～70%，尺寸是0.01～0.1 μm)和体积分数大约为5%的碳化物相，但因碳化物间距较大，对位错运动的阻碍作用有限，通常认为镍基高温合金塑性变形中对位错运动起主要阻碍作用的是γ＇沉淀相[18]。γ＇相的溶解温度范围为843～871 ℃，析出温度为593～816 ℃[19]。在100 ℃以上，γ＇相对合金起主要强化作用[20]。本实验用时效态GH4090合金弹簧进行了650 ℃×4 h时效处理，显微形貌如图6所示，可以看到碳化物主要沿晶界上析出，晶内只有极少数区域有块状碳化物的存在，细小的γ＇相呈球状弥散分布在基体之中，平均尺寸为34 nm，这是该材料具有优良抗松弛能力的主要原因。

表2 时效态GH4090合金弹簧静态抗松弛实验结果Table 2 Static anti relaxation test results of aged GH4090superalloy spring

图5 时效态GH4090合金弹簧静态抗松弛实验结果Fig 5 Static anti relaxation test results of aged GH4090 superalloy spring

图6 GH4090合金时效后强化相γ＇形貌 (a)(b) 650 ℃×4 hFig 6 Morphology of γ′ phase after GH4090 superalloy aging strengthening (a)(b) 650 ℃×4 h

层错能作为金属材料的一个重要物理性质[21]。在变形期间，材料的层错能对位错运动方式有较大的影响，因而层错能对金属材料的力学及蠕变松弛性能有重要影响[22-23]。奥氏体合金中，Ni[13]、Cr[24]、Co[14]、Al[25]等元素都可降低合金的层错能。材料层错能较低时，变形过程中分解的位错易于扩展，可形成肖克莱不全位错+超晶格本征层错(Super-lat-tice Intrinsic Stacking Fault，SISF)的位错组态，由于扩展的位错不易束集，难以进行交滑移，因而可增加位错运动的阻力，提高合金的蠕变抗力[21]；其次，材料低层错能状态下，位错密度和孪晶比例较高，使晶界在变形过程中产生不完全位错，提高位错的储能能力，增加材料的加工硬化能力，也是材料抗应力衰减能力增加原因之一[26]。

2.2 动态抗松弛实验

图7为动态抗松弛实验后GH4090合金弹簧试样，可以看到实验后各弹簧均保持形态完整，没有发生断裂，且各弹簧的长度基本相同，未看到长度明显变化，说明各弹簧松弛不明显。

图7 动态抗松弛实验GH4090合金弹簧试样Fig 7 Dynamic relaxation test GH4090 superalloy spring sample

不同温度下，动态抗松弛实验结果如下表3和图8所示。可以看到，不同温度下变形态和时效态的GH4090合金弹簧均发生了松弛。室温下变形态GH4090合金弹簧自由高度变化了0.04 mm，对应蠕变率为0.20%；载荷变化了0.03 N，对应松弛率为3.30%。350 ℃下变形态GH4090合金弹簧的自由高度变化了0.97 mm，对应蠕变率为4.18%；载荷变化了0.15N，对应应力松弛率为16.85%。室温下时效态GH4090合金弹簧的自由高度和载荷均未变化，说明在该实验环境下时效态GH4090合金弹簧无松弛。350 ℃下时效态GH4090合金弹簧的自由高度变化了0.07 mm，对应蠕变率为0.35%；载荷变化了0.03 N，对应应力松弛率为3.23%。

表3 GH4090合金弹簧动态抗松弛实验结果Table 3 Dynamic anti relaxation test results of GH4090superalloy spring

图8 GH4090合金弹簧动态抗松弛实验结果Fig 8 Dynamic anti relaxation test results of GH4090 superalloy spring

首先可以看到，时效态GH4090合金弹簧抗松弛性能明显优于变形态。根据前面分析，经过650 ℃×4 h时效处理，能够使合金基体中析出一定数量和大小的强化相，增加合金高温强度，达到合金最大强化效果，提升合金抗松弛性能[31-32]。再者，丝材拉拔和卷簧等弹塑性变形过程中，残留在弹簧内部的残余拉应力若不能及时消除，会降低弹簧的疲劳强度[33]，因而时效处理在也起到去应力退火，稳定组织和结构作用。

同时，还注意到，无论是变形态还是时效态GH4090合金弹簧，松弛现象均是随着温度的增加而更加明显，而变形态的增加趋势尤为突出。弹簧在周期应力作用下，随着应力增加导致材料内局部应力增大，存在于弹簧内部的部分位错源便可获得足够能量引起新位错开动，导致内部位错密度增加[34]，塑性应变产生速度加快，最终表现为应力松弛速率增加。变形态相比时效态，材料内部位错密度更大，因而塑性应变速度加速更快，最终表现为应力松弛速率增加更快。再者，对于未及时消除丝材拉拔和卷簧等弹塑性变形过程中储存在弹簧内的机械能的变形态弹簧，相对于经时效处理的时效态弹簧处于一种不稳定状态，如仅卷簧过程外界提供的机械能，约5%～10%的能量存储在金属内部，以空位，位错以及不均匀分布的内应力的形式存在，使材料内部自由能升高，而应力松弛是弹簧材料由高能向低能状态转化的过程，是使弹簧内部自由能逐步降低趋向稳定的过程[35]，外界温度的升高，加速了该过程的进行，宏观表现出松弛现象更明显[36]。

3 结 论

(1)静态抗松弛实验结果表明，时效态GH4090合金弹簧在室温和300 ℃下无松弛、无蠕变；350和400 ℃下应力松弛率分别为1.08%和1.09%。

(2)动态抗松弛实验后变形态和时效态GH4090合金弹簧均保持形态完整，没有发生断裂。时效态GH4090合金弹簧的抗松弛性能明显优于变形态。时效态GH4090合金弹簧在室温下无松弛，350 ℃下应力松弛率为3.23%；变形态GH4090合金弹簧室温和350 ℃下应力松弛率分别为3.30%和16.85%。

(3)静态和动态抗松弛实验结果表明，变形态和时效态GH4090合金弹簧的松弛率均随温度的升高而增大，且变形态松弛率变化尤为明显。