析出相对Haynes242 性能的影响

2024-03-27龚忠兴王攀智魏诗伟邹朝江吴永安张华贵州航宇科技发展股份有限公司

锻造与冲压 2024年5期

文／龚忠兴，王攀智，魏诗伟，邹朝江，吴永安，张华·贵州航宇科技发展股份有限公司

本文结合高倍组织检查，SAED、TEM、EDS 分析，研究了Ni2CrMo、富Mo 相的分布对Haynes242 材料高温拉伸性能和高温组合持久性能的影响。研究发现：Ni2CrMo 作为Haynes242的性能强化相，Ni2CrMo 跟热处理时间有关，时间越长，Ni2CrMo 析出数量越多，高温拉伸强度越高，持久时间越长；而富Mo 相的产生虽然也有助于强度的提升，但由于其析出耗尽了大量的Mo元素，导致晶界附近没有Ni2CrMo强化相析出，会使得Haynes242合金出现持久缺口敏感性；但通过重新热处理后可以消除一定量富Mo 相，减小Mo 元素的消耗，促进Ni2CrMo 强化相的析出，改善综合性能。因此，优化Haynes242 合金锻件热加工工艺，可以控制Ni2CrMo、富Mo 相的析出和分布，是平衡合金高温拉伸性能，解决持久缺口敏感性的有效途径。

低膨胀高温合金是一种同时具有高强度、低膨胀系数和近恒定弹性模量的高温合金，在航空发动机中主要用作机匣、封严环和涡轮外环等多种间隙控制构件。它是航空发动机实现间隙控制技术，减少燃气损失和提高热效率不可替代的关键功能结构材料。从20 世纪70 年代开始，低膨胀高温合金就用于航空发动机，随着航空发动机的不断发展，要求早期的Fe-Ni-Co 基铁磁性低膨胀高温合金消除持久缺口敏感性和应力，促进晶界氧化脆性，提高抗氧化性能和降低合金的热膨胀系数随温度的变化速率，并进一步要求低膨胀高温合金同时具有抗海洋盐腐蚀的性能。

Haynes242 合金是美国哈氏合金公司生产的Ni-Mo-Cr 系高温合金，该合金通过固溶时效能析出长程有序、弥散分布的纳米级Ni2CrMo 相，因而具有优异的高温强塑性和高温抗氧化性能。同时，该合金由于具有低热膨胀系数，在国外被广泛应用于制造燃气轮机密封环等高温紧固件，但Haynes242 材料中合金元素(Mo、Ti、Cr、W、Nb、Co)的含量高达41%，高合金化程度大幅度提升了热变形中的固溶强化能力和热成形过程中的变形抗力，即使合金成分的微小波动也会对力学性能产生较大的影响，加上该材料变形抗力较大、塑性差、易开裂等问题，极大地限制了该合金的推广及在特殊装备制造业中的应用。

试验材料及方法

生产锻件用原材料为Haynes 公司生产的φ150mm合金棒材，冶炼方法为自耗电极重熔，合金化学成分见表1。在800t 快锻机和φ1600mm 环轧机上锻造成φ390mm×φ310mm×106mm 环件，锻造后取样按照表2 的A、B 热处理方案进行热处理，切取弦向试样分别进行650℃高温拉伸性能测试和650℃+620MPa 条件下的组合持久测试。再对不同热处理工艺后的试样进行高倍组织检查及分析，研究影响Haynes 合金高温拉伸强度和高温持久缺口敏感性的因素；初次测试的制度A 持久试样均断缺口，因此对制度A 的试样进行重新固溶和时效热处理，目的是为了通过重新固溶将团状的富Mo 相溶解掉一部分，再进行时效析出强化相，重新热处理的参数见表2。

表1 试验用Haynes242 化学成分(质量分数，%)

表2 Haynes242 热处理试验制度

环件在轧制过程中，组织全部再结晶；Haynes242合金中Mo 含量将近25%，由于Mo 元素熔点低，环件冷却后容易在晶界形成富Mo 相。Haynes24 的合金固溶要求温度范围为1039 ～1093℃，时间要求最少30min；时效要求温度范围为649 ～703℃，时间要求为24 ～96h；热处理温度选用规范的中间值1075℃、1080℃和677℃，不同点在于保温时间的选择。

试验结果及分析

Haynes242 在不同制度热处理后的650℃高温拉伸性能和高温持久性能见表3 和表4。

表3 不同制度热处理后Haynes242 的650℃高温拉伸性能

表4 不同制度热处理后Haynes242 的650℃高温持久性能

根据高温拉伸性能测试，原始制度A 的高温拉伸屈服强度偏高，抗拉强度均匀性偏差，伸长率在3个制度中是最差的，整体展现了强度高、塑性偏差的特点；制度B 的强度、塑性整体性好；原始制度A的试样重新热处理后高拉测试强度、塑性对比原始状态均有改善，整体性较好。

对比持久性能，原始制度A 的试样采用90ksi 加载强度，两根试样分别在94.2h 和129h 时在缺口处断裂，而制度B 的试样采用更高的95ksi 加载强度，两根试样分别在128h 和141h 断裂在光滑处，断后伸长率较好；原始制度A 的试样重新热处理后解决了缺口问题，持久时间提高了约30h。

基于以上数据，对制度A、制度B、原始制度A重新热处理后的试样进行高倍检查。从图1(a)、(b)、(c)照片可以看出，两个制度热处理后的试样主体晶粒度都为5 级，但制度A 的高倍照片中带有团状的第二相，且分布的密度较大，分布区域没有规律；制度B 的高倍均匀性较A 要好，高倍照片中未见明显的第二相分布。

图1 试样的高倍组织分析

重新热处理后的高倍组织中大大减少了团状富Mo 相，整体的高倍比较均匀，但晶粒度仅由重新热处理前的5 级变为4.5 级，几乎没有太大的变化，结合生产经验，该组织和其他正常合格的试样组织比较接近；高拉的强度有一定的降低，塑性数值也有微小增加，但整体水平比重新热处理前有提高；持久时间达到了160h 以上，最终断裂在光滑位置，断后伸长率达到18%，这得益于重新高温固溶后将团状富Mo相溶解，促进了Ni2CrMo 相的析出，有效地改善了合金的整体理化性能。

强度表现整体性好，在持久合格的制度B 试样上进行选区电子衍射分析，结合文献中的试验及分析，得出弥散分布的相为Ni2CrMo 相，该相形态呈椭球状，长度10 ～30nm，Haynes242 正是通过该相的作用起到强化效果，作为纳米级的析出相，Ni2CrMo 相弥散分布在晶界内和晶界上，热处理后的样品在光学显微镜下没有基本特征，电子衍射分析见图2。

图2 制度B 试样的选区电子衍射分析

如图3 所示，对制度A 热处理后试样的团状析出物进行电子透射和面扫描元素分布分析，发现除了有Ni2CrMo 相析出外，在团状的析出物中是还含有高Mo 元素相。

图3 制度A 试样的电子透射及能谱分析

由于含Mo 元素较高，对比在张海武和Kumar M 等人在文献中提到的相组成成分，该相很有可能是μ 相，在镍基高温合金中μ 相主要由 Ni、Co、W 和Mo 组成，如Co7W6、Co7Mo6、Fe7W6等。蔡玉林等人在文献中描述μ 相的形成温度比较宽，可以从800℃延续到1140℃左右，而锻造温度也是处于800℃至1140℃之间，而且该材料本身变形抗力较大，如果因变形不均匀、在低温下变形等很有可能会因此产生大量的二次析出相，因此基于以上推断，该相很有可能是μ 相。

综合对比制度A、制度B 和制度A 重新热处理后的试样，制度A 的固溶时间较短，但时效时间长；制度B 的固溶时间为A 的两倍，但时效时间短；重新热处理的温度提高，时效时间和制度B 的相同。从高倍组织来看，制度A 热处理后的试样没有完全均匀，还带有较多的条带状组织，该组织分布面积广，没有规律的在晶内和晶界分布，因此析出了大量富含Mo 元素的相，该相的形成大大消耗了相邻基体中的Mo，导致晶界附近析出的Ni2CrMo 相偏少。从高温抗拉性能来看，析出较多富含Mo 元素的相及相对长的时效时间有助于提升高温抗拉强度，但塑性性能稍微偏差。从制度A 的持久试样断裂情况来看，如图4 所示，裂纹萌生的位置属于带状析出相较多的区域，而该位置由于Ni2CrMo 相偏少，即使持久加载温度也在时效温度范围内，说明持久加载也会对合金起到一定的强化相析出作用，但持久加载过程中析出速度偏慢，不能够抵消带状富Mo 区所消耗掉的Mo，以至于持久加载了100h 才发生断裂。该现象同别的合金不太一样，别的合金如果是通过在晶界析出相强化改善持久效果的，那么会因为晶界析出相少而很快产生断缺口；该合金能够达到100h 才发生断裂，说明时效后已经析出了一定量的强化相。而制度B 和制度A 重新热处理后的高倍组织富Mo 相较少，综合性能要比制度A 富Mo 相的试样要好；因此富含Mo 元素的相虽然一方面可以提高抗拉强度，但对持久性能有一定的影响，而且合金塑性偏差，该合金需避免富含Mo 相大量析出，才能平衡合金的组织、强度、持久性能和塑性。

图4 制度A 试样的持久断裂裂纹源

讨论

微小的化学成分波动都会对Haynes242 合金的力学性能产生较大的影响，且该合金对变形也比较敏感，锻件尺寸普遍偏小，总体变形量不大，因此如果在锻造时得不到均匀的高倍组织，想通过热处理进行改善是比较困难的，很有可能最终得到类似制度A 第一次热处理后的组织，力学性能的表现也会接近，如何才能提高锻件生产一致性、稳定性，这是目前困扰该合金发展的一大问题。

从制度A 的重新热处理试验得到启发，解决该合金的整体力学性能及组织问题的方法之一是通过重新热处理来改善，那么可否就将热处理的时间加长或者温度提高，一次就解决该问题。

富Mo 相产生和存在对整体理化表现有不好的影响，还需进一步研究其产生的条件、基体等，如何在热加工、变形时避免，这是困扰该合金发展的又一问题。