时效制度对A286性能的影响

叶文君，胡隆伟，欧阳建文，邹刚

高温合金又称热强合金、耐热合金或超合金，它是可以在600～1100℃氧化和燃气腐蚀条件下承受复杂应力、长期可靠工作的一类金属材料。高温合金广泛应用于燃气涡轮发动机热端关键部件，如涡轮盘、涡轮工作叶片、涡轮导向叶片、燃烧室和加力燃烧室的紧固件等。

高温合金大体上可分为固溶强化型和沉淀硬化型两种。其中，A286是目前使用最广泛的一类铁基沉淀硬化型高温合金，其可在700℃以下保持较高强度，同时在815℃以下仍具有较高的抗氧化性。该牌号一般在固溶加时效状态下使用，时效制度决定了主强化相γ'相[Ni3(Al，Ti)]的形态以及在基体中的分布情况，进而决定材料的各项力学性能。本文主要研究了几种不同的时效工艺对合金性能的影响。

1.试验

本试验原材料为真空感应、真空自耗电极重熔生产的A286进口高温合金丝材，规格为φ4mm。其合金化学成分见表1，等同于国内材料GH2132。

试验使用的设备有真空气淬炉、箱式电阻炉、数控车床、数控无心磨床、数控滚丝机、数显维氏硬度计、金相试样压片机、三思万能电子试验机、德国莱卡DMI5000M金相显微镜等。

所有试验材料统一在982℃进行固溶处理，固溶后按表2所列试验方案进行时效。其中，720℃首段时效使用真空气淬炉，后续时效全部使用箱式电阻炉，材料用硅砂保护。每组方案后一段时效温度总比前一段时效温度低，详见表2。

试验结束后各组材料均制造规格为MJ4的螺钉以及金相硬度试样，测试不同时效制度下材料各项力学性能，并观察不同时效制度下合金的金相组织。

2.试验结果和分析

（1）试验结果 不同时效制度下材料抗拉强度和硬度值见表3，硬度试验每个试样打三点取平均值。通过对表中数据进行比较，可以看出：I组进行一段时效的合金强度、硬度比所有多段时效后的合金强度、硬度都低；对Ⅰ组、Ⅱ组、Ⅳ组、Ⅵ组进行对比，可看出随着时效段数的增加，合金的强度、硬度都随着时效段数的增加而提高，而对Ⅰ组、Ⅲ组、Ⅴ组进行对比，同样可以发现这个趋势；对Ⅱ组、Ⅲ组的数据或对Ⅳ组、Ⅴ组的数据进行对比，可发现当使用较低的时效温度时，可获得较高强度、硬度；对比Ⅲ组和Ⅳ组数据可看出，采用720℃+650℃两段时效制度，合金强度高于采用720℃+680℃+650℃三段时效制度，应注意Ⅲ组第二段时效温度比Ⅳ组低，同时参考Ⅴ组和Ⅵ组数据，可发现类似的结果，即第二段时效选用650℃的三段时效制度，合金强度高于第二段选用680℃的四段时效制度。

表1 A286合金化学成分（质量分数） （%）

表2 试验方案

为便于观察合金强度、硬度的变化趋势，现将表3数据作图比较，如图1所示，720℃一段时效，合金强度、硬度均为最小值，对于强度值而言，二段时效强度比一段时效提升较多，二段以后随着时效段数增加，强度值提升趋于缓慢，且随着时效温度提高，强度值有下降趋势；对于硬度值而言，一段及二段时效制度硬度值提升较少，二段到三段提升较大，三段以后趋于平稳，且采用较低时效温度可获得较高硬度。

A286作为高温合金材料，主要在高温环境下，为测试时效制度对材料高温性能的影响，每组试样取3件按技术标准进行了高温持久试验。试验样本为MJ4规格的螺钉，螺纹应力面积为9.517mm2，施加约450MPa的应力，即4.28kN的载荷，样本在（650±2）℃温度下保持受载，试验结果见表4。从表中可见所有试样在23h内均未发生断裂，符合相关技术标准的规定，说明多段时效制度对合金高温持久性能没有不利影响。

产品有时会在交变轴向载荷或复杂循环应力下工作，因此还进行了疲劳性能试验。疲劳试验参数按照产品通用技术条件要求，每组试样取3件进行。具体参数为：高载3.5kN，低载0.35kN，进行拉-拉疲劳试验，试验频率100Hz以下，试验结果见表5。技术标准规定平均循环次数应达到65000次，且单件至少达到45000次。本次疲劳试验为节约成本，进行至70000次后直接停止，所有试样在70000次循环后均未破坏，证明疲劳性能均合格，多段时效不影响疲劳性能。

观察Ⅰ组、Ⅱ组、Ⅳ组、Ⅵ组热处理试样的金相组织，如图2所示。图2a～图2d分别是上述四组试样放大100倍后的组织，经过与标准晶粒度评级图进行对比，四组试样的晶粒度都在6～7级。由此可以看出，时效制度对合金晶粒度并无明显影响。

（2）分析讨论 A286是一种典型的沉淀硬化型高温合金，主要通过时效在γ基体中析出γ'相[Ni3(Al，Ti)]进行强化，时效析出过程是连续析出，γ′相在合金基体中呈球状均匀弥散分布，其开始析出温度在600℃左右，在700～730℃析出最多，因此相关标准规定的第一段时效温度都在720℃。由于时效时间较短，同时试验用丝材经入厂复验，化学成分合格，因此判别系数ΔNV′＞0，合金中无η相和σ相出现，另根据图2可知，晶粒度受时效制度影响也不大，因此判断合金强度主要由γ′相形态影响。

图1 不同时效制度下合金的强度硬度

表3 各组试样抗拉强度对比

表4 高温持久试验结果

表5 疲劳试验结果

γ'相在合金中随着时效温度的提高会逐渐长大，γ′相的长大趋势如图3所示。γ′相的尺寸对温度很敏感，在500℃～650℃区间内长大较缓慢；从700℃开始，其长大速度开始明显增加；到800℃，γ′相的尺寸已达到90～100nm。因此，在上述试验方案中，仅采用720℃一段时效，得到尺寸较大的γ′相，而后续的680℃、650℃、630℃时效则会补充析出一些尺寸较小的γ′相，补充时效的段数越多，则析出的沉淀强化相也就越多，因此强化效果也就越明显，合金强度越高，而时效温度较低时，析出的强化相尺寸则较小。

根据合金的沉淀强化机理，第二相对位错的阻碍作用有绕过机制和切过机制。A286时效后强度一般都在1100MPa以上，第二相主要通过绕过机制进行强化，即位错绕过第二相质点，在第二相颗粒周围留下位错环，位错被阻碍，进而提高合金强度。根据位错理论，位错弯曲至半径R时所需剪切应力为τ=Gb/2R，其中G为剪切模量，b为伯氏矢量，当R为颗粒间距λ的一半时，所需剪切应力最小，即τ=Gb/λ。可见，绕过机制颗粒的强化与颗粒间距成反比，颗粒越多、越细，则强化效果越好，再结合图3，低温时效情况下第二相颗粒更细，这就解释了在较低温度下时效合金强度高的现象。

3.结语

（1）A286高温合金采用多段时效，可有效增加γ基体中主强化相γ′相含量，提高高温合金强度和硬度。

（2）在时效段数相同的情况下，采用较低的时效温度，可获得更加细小而弥散的第二相颗粒，获得更好的强化效果。

（3）时效段数的增加对合金硬度的提升比对合金强度的提升更明显，合金强度对时效温度更敏感一些。

（4）时效温度和段数对高温合金的晶粒度影响不明显，同时对合金的疲劳和高温持久性能不会产生不利影响。

（5）增加时效段数、降低后续时效温度也可作为高温合金生产中，弥补产品强度不合格的补救措施。

图2 I、II、IV、VI组热处理制度处理后合金金相组织

图3 γ′相的长大趋势