A286螺栓晶粒异常长大原因分析

■ 许永春，董新燕，朱玲玲，田柱，徐俭，武艳军

A286是Fe-25Ni-15Cr铁基高温合金，加入钼、钛、铝、钒及微量硼元素综合强化。在650℃以下具有较高的屈服强度和持久、蠕变强度，并且具有较好的加工塑性和良好的焊接性能，适合制造在650℃以下长期工作的航空发动机高温承力部件，如涡轮盘、压气机盘、转子叶片和紧固件等。相近的材料牌号为我国的GH2132，法国的ZbNCT25等。

晶粒度是表征材料力学性能的一个重要指标。细小的晶粒可以有效提高金属材料室温力学性能如抗拉强度、屈服强度等，而高温下，较为粗大的晶粒具有更好的高温持久、抗蠕变性能。

我公司对发动机用A286螺栓在成品检测时，反复出现晶粒度超出标准要求，并且存在表层晶粒粗大、心部晶粒细小等带状组织现象，服役后将对发动机造成极大的危害。

A286原材料为真空感应、自耗电极熔炼的进口高温合金棒材，来料状态为固溶态，对原材料进行ICP（电感耦合等离子发射光谱分析仪）分析，其化学成分如表1所示。

对A286原材料进行显微组织分析，具体如图1所示。

从图1中可以看出：图1a为100×下的原材料显微组织与晶粒度，组织均匀，未发现大小相差较大的晶粒，晶粒度为6.5级；图1b为500×下的显微组织形貌，显微组织以固溶孪晶为主，存在规则形状的氮化物（主要为氮化钛夹杂）。

1. 产品显微组织分析

A286螺栓的加工工艺一般为：下料→镦制（头部成形）→普车→固溶→时效→喷砂→滚螺纹等。成品在最终金相检测时，出现了大面积的粗大晶粒，晶粒度远超出标准，且屈服强度不满足标准要求。

图1 原材料显微组织与晶粒度

表1 A286高温合金化学成分（质量分数） （%）

图2显示了宏观组织，图2a中靠近心部，腐蚀较淡，为细晶粒组织，边缘螺纹及靠近边缘部分腐蚀颜色较深，为粗晶粒组织，粗晶范围占整个面积的1/2～2/3，严重超出标准要求；图2b为头部宏观组织形貌，组织较为均匀，未发现存在较大差别。

显微组织如图3所示。图3a为螺纹部位粗大的晶粒，依据ASTM E112进行评级，其晶粒度为1级，标准要求为5级或更细，实测大于标准要求；图3b为螺纹部位心部晶粒，晶粒较为细小，其晶粒度等级为6.5级；图3c为头部的显微组织，晶粒均匀，且较为细小，其晶粒度等级为7.5级。

2. 产品力学性能检测

对表层粗晶粒与心部细晶粒进行显微硬度分析，具体数据参见表2。

从表2表层与心部的显微硬度值来看，二者存在的差异较大，最大相差32HV0.3，最小相差26HV0.3，粗晶粒比细晶粒的显微硬度平均小28HV0.3。其表层与心部硬度曲线如图4所示。

由于产品形状限制，无法用产品进行抗拉强度及屈服强度试验，特选取产品光杆部分加工成标准试样进行力学性能分析，其抗拉强度及屈服强度如表3所示。

从表3力学性能试验数据中可以看出：产品的极限抗拉强度均满足标准要求，而屈服强度仅两个数据大于标准值，其余均不合格。

3. 理论分析

由Hall-Petch公式：

σys=σ0+kyd-1/2

试验已经证明，晶粒越细，材料的强度越高。上述结论可以用晶界位错塞积理论解释。如某晶粒内部中心附近有一位错源，在外加应力的作用下位错沿着某一滑移系移动，当位错在晶界处受阻，使之塞积起来，位错塞积就产生了应力集中。

在同样的外加载荷作用下，粗晶粒晶界附近塞积的位错数要多于细晶粒；位错塞积后对晶粒中心的位错源产生了背向力，当背向力增大到某一数值时，可以抑制位错源运动，细晶粒的背向力要大于粗晶粒，由于粗晶粒塞积的位错多，造成的应力集中大，更容易使相邻的晶粒位错源开动，因此粗晶粒的屈服强度比细晶粒要低。

图2 产品宏观组织（6.7×）

表2 表层与心部显微硬度 （HV0.3)

表3 力学性能试验数据

图3 产品显微组织（100×）

由上分析可知，此批A286螺栓屈服强度较低，为产品晶粒较为粗大所造成。

由A286螺栓的加工工艺可知，产品经镦制后，又重新进行了固溶处理，A286固溶温度为982℃，大于其再结晶温度。在固溶时，经过冷变形的A286螺栓发生了再结晶现象。影响再结晶的因素主要为临界变形度，变形度越大，再结晶温度就越小。高温合金在热加工变形中，很大或很小的变形量，经再次固溶时均易产生晶粒异常长大。

资料表明，金属材料的一般临界变形度为2%~10%。由于A286螺栓头部成形时变形量较大，大于临界变形度，所以在固溶时，发生再结晶现象，晶粒正常长大，而杆心部未产生形变，而边缘部分变形量较小，处于临界变形的位置，经固溶后，发生二次再结晶造成晶粒的异常长大。

4. 要因验证

为了验证上述理论分析的准确性，又通过选用冷拉态的A286原材料替代固溶态的料，采用上述不变的加工工艺，重新加工了几批产品，具体显微组织如图5所示。

图5显示了A286螺栓显微组织及晶粒，图5a为头部显微组织，组织较为均匀，晶粒度为7.5级；图5b显示了杆部的晶粒度及显微组织，组织为均匀的孪晶组织，晶粒度为7级。头部与杆部的晶粒度基本相同，没有较大晶粒存在。

用冷拉态或热轧态来代替固溶态的原材料，使之产生预变形，在镦制头部后，经高温重新固溶，发生再结晶之后，晶粒基本一致，而没有产生二次再结晶现象，其力学性能如表4所示。

表4显示了冷拉态的A286原材料，经工艺加工后最终产品的力学性能。抗拉强度及屈服强度均满足标准要求，且富余量较大。

其表层及心部的显微硬度如表5所示。

从表5表层与心部的显微硬度数据中，可以看出二者硬度相差不大，最大仅相差3HV0.3。

图4 表层与心部硬度曲线

图5 显微组织及晶粒度（100×）

表4 最终产品力学性能试验数据

表5 表层与心部显微硬度 （HV0.3）

5. 结语

导致A286螺栓杆部晶粒异常长大的主要因素为杆部变形量没有达到临界变形度以上。在2%~10%的变形量范围内，高温固溶时出现二次再结晶现象，导致晶粒异常长大。通过使用冷拉态或热轧态的原材料，使之产生预变形，高于临界变形度，然后经正常的工艺加工，避免了螺栓杆部晶粒的异常再结晶，保证了产品的力学性能。