高温合金GH1140的冷热循环处理研究

刘劲松，蒲金魁，黄利银

（1. 长沙航空职业技术学院，湖南 长沙 410124；2. 国营锦江机器厂，四川 成都 610043）

高温合金是以高熔点金属Ni（1450 ℃）、Co（1480 ℃）等为基体的金属材料，目前在先进的航空发动机中，所占比例已高达50% 以上（参见表1），此外在能源、冶金和化工等领域也有广泛应用[1-3]，高温合金的应用领域如图1所示。

表1 航空发动机对高温合金的需求

图1 高温合金的应用领域

铁基变形高温合金GH1140能承受一定压力，并具有抗氧化和抗腐蚀能力，在冲压、焊接等工艺中性能表现优良，适用于制造航空航天、燃气轮机等一般承力部件，和850 ℃以下工作的喷气发动机燃烧室等零部件。

深冷处理是一种工艺可行、成本低、操作简单的新技术,不改变材料形状,通过改变材料内部显微组织结构来改善材料综合性能,已经在机械工艺制造中扮演着重要的角色，可有效提高零件的耐磨性、疲劳性能和尺寸稳定性，引起科学界和工业界的高度重视，并得到越来越广泛的应用[4-6]。冷热循环工艺是将深冷保温与室温以上温度保温进行周期循环处理的新工艺，具有消除残余应力、提高尺寸稳定性及微变形抗力等作用[7]。

目前，对深冷处理的研究主要集中在钢铁、铝合金和硬质合金等有色金属[8-11]，而对高温合金深冷处理的报道较少。本文将深冷处理技术引入高温合金领域，以较低的成本对高温合金进行深冷处理，探索了铁基高温合金GH1140在深冷处理和循环处理过程中的组织演变规律和性能变化机理，为高温合金的设计、制造以及新产品研发以及拓宽深冷处理的实际应用领域提供坚实的理论基础和有积极价值的技术依据。

1 试验设计

表2 GH1140合金的标准化学成分范围

首先通过线切割加工若干个小试样，然后将小试样分成A1、A2、A3及B1、B2、B3共6组，每组3个。

将高温合金试样放在液氮中分别进行5 h、10 h、15 h深冷处理，深冷处理试验方案如下：

（1）深冷处理工艺A1（-190 ℃降温-保温5 h）

（2）深冷处理工艺A2（-190 ℃降温-保温10 h）

（3）深冷处理工艺A3（-190 ℃降温-保温15 h）

（4）深冷处理工艺B1（-190 ℃降温-保温5 h + 升温180 ℃*6 h）

（5）深冷处理工艺B2（-190 ℃降温-保温10 h + 升温180 ℃*6 h）

（6）深冷处理工艺B3（-190 ℃降温-保温15 h+升温180 ℃*6 h）

上述各个动作均采用电气控制，通过控制柜面板进行操作，为方便操作，增设一个HS-14S遥控器，在控制柜和遥控器之间，可任选一种操作方式。

深冷处理设备如图2所示，试验结束后，取出试样，然后在室温下测试其力学性能。

图2 深冷处理的专用设备

2 试验结果与分析

经过深冷处理后，硬度值通过HV-1000硬度计进行测量(每个数据为3个试样硬度的平均值)，抗拉强度通过TD-6000A电子拉力试验机进行测试（拉伸试样如图3所示），材料的金相组织通过 SEM 进行研究。

图3 板材拉伸试样示意图

图4是深冷处理不同时间后的硬度柱状图，可以看出，该材料经过深冷处理后，硬度提高。经15 h的深冷处理后，材料的显微硬度从189 HV提高到209 HV，升幅达到11%。

图4 深冷时间对GH1140显微硬度的影响

深冷处理5 h、10 h及15 h后再分别升温至180 ℃并持续6 h，对GH1140的显微硬度几乎没有影响。

图5是高温合金GH1140经过不同深冷时间处理后的拉伸强度曲线。可以看出，经5 h的深冷处理后，材料的抗拉强度下降。继续延长深冷处理时间至 10 h及15 h 后，抗拉强度略有变化，这证明了低温处理对材料的强度几乎没有影响。GH1140不仅适用于高温环境，而且具有良好的低温强度和更广泛的应用范围。

图5 不同深冷方式对GH1140抗拉强度的影响

深冷处理5 h、10 h及15 h后再分别升温至180 ℃并持续6 h，GH1140的抗拉强度继续下降，随后升高至732 MPa。

图6是经过不同时间深冷处理后得到的GH1140的金相组织。可以看出，经5 h、10 h及15 h深冷处理后，材料的组织变化明显，显微硬度显著提高，抗拉强度下降。

图6 深冷处理后GH1140合金的显微组织

一方面，由于GH1140为铁基固溶强化型高温合金，固溶处理之后，组织为单相奥氏体和以夹杂物形式而存在的一次析出相 Ti(CN)。 在深冷处理过程中，奥氏体组织逐步转变为马氏体组织，晶粒发生转动，形成大量孪晶，从而提高了材料的硬度；另一方面，由于深冷处理导致基体晶格常数降低，GH1140在深冷处理后析出第二相粒子，显微组织中分布更多更细的碳化物硬质点，从而使得高温合金的硬度得到提高。

此外，深冷处理形成马氏体的转变过程中GH1140比容增大，同时由于热胀冷缩的作用，GH1140表面形成较大的压应力层，不仅可以使得该材料的硬度得到大幅度提高，而且可以有效避免表面裂纹的产生；在深冷处理过程中，引起材料内部组织的收缩。这会使GH1140本身的小缺陷，如应力集中部位和微孔，产生塑性流。复温过程中，将在高温合金的空位表面产生残余应力，这种残余应力可以减少缺陷对局部强度的损伤，使GH1140的力学性能得到提高。

冷热循环过程中，-190℃的冷却过程会导致微孔等内应力集中部位发生塑性流变；而在180 ℃，6 h的加热和保温过程中，残余应力会在空位表面产生，可减小缺陷对GH1140的损害，提升高温合金的局部强度；另外组织结构不均匀的热胀冷缩效应，引发不均匀微塑性变形，从而释放内部残余应力，提高尺寸稳定性。

3 结论

（1）深冷作用能使无相变材料的晶界发生畸变而改善微细化合物即硬质点的分布，内部形成大量应力应变，产生位错和破碎晶粒，从而使得材料中存有较大的残余应力，还可析出细小颗粒形成第二相强化。

（2）通过短时间深冷处理，GH1140可以获得更高硬度，但是深冷处理对强度影响不大，这说明GH1140铁基高温合金在低温下也具有良好的力学性能，适合低温环境下的应用。

（3）GH1140经-190 ℃，5 h、10 h及15 h的深冷处理后，再分别升温至180 ℃并持续6 h，抗拉强度则随着深冷处理时间的延长，先降后升至732 MPa；但冷热循环处理对GH1140的硬度影响不大。