GH2132高温合金螺栓开裂成因分析

陈 军 强锦霖 朱立坚 王 勇 赵智泉



GH2132高温合金螺栓开裂成因分析

陈 军 强锦霖 朱立坚 王 勇 赵智泉

（上海航天动力技术研究所，上海 201109）

GH2132高温合金螺栓在加工完成后出现了开裂的现象。通过对裂纹的形貌和周边组织观察，以及螺栓的整个加工工艺流程复查，排除了原材料及机械加工环节会造成螺栓开裂的可能。确定了螺栓开裂的原因可能是高温合金钢热处理不充分所致，并通过验证试验证实。在确定螺栓开裂的原因后，制定了高温合金圆钢在热处理过程中的装炉量和装炉方式的预防措施避免此类问题再次发生。

GH2132；高温合金；螺栓；开裂

1 引言

GH2132(0Cr15Ni26MoVTi2B)是一种时效硬化型铁基高温合金，以Fe-25Ni-15Cr为基体，用少量的钼、钛、铝、钒和微量硼等元素综合强化而得，在650℃以下具有高的屈服强度和持久、蠕变强度，并有好的加工塑性和可焊性，因此常被用于航空紧固件等[1～3]。该材料主要用于作螺钉、螺栓等紧固件，广泛用于各种固体火箭发动机上。某个批次的GH2132高温合金螺栓在加工完后检验时发现，有近24%的产品存在不同程度的开裂现象。

为彻底查清该现象出现的原因，对裂纹的微观形貌进行观察，并复查螺栓加工的整个工艺流程，来确定导致螺栓开裂的原因和出现的环节，再通过验证试验证实，最后制定预防措施避免该现象重复出现。

2 试验结果

2.1 裂纹形貌观察

图1 裂纹微观形貌

图2 裂纹两侧微观组织

通过对裂纹宏观观察分析，发现螺栓的螺纹部分断口呈螺旋状撕裂，螺杆部分断口呈纵向撕裂，裂纹从螺纹末端向螺杆方向扩展，断口为暗灰色，断口边缘有塑性变形。取螺栓开裂部分镶嵌、磨抛、浸蚀，在金相显微镜下观察，发现裂纹沿晶开裂，裂纹中有黑色氧化物，主裂纹两侧存在细小微裂纹，见图1。裂纹两侧其余部分组织正常，为Fe-Ni马氏体+沉淀强化相，见图2。

2.2 螺栓加工工艺流程复查

该螺栓采用规格6mm×250mm的高温合金冷拉圆钢进行加工，其加工的整个工艺流程为：下料→热处理→车→钳→终检→入库。通过对上述生产流程的分析，车、钳等机械加工环节均不存在造成螺栓开裂的可能。因此，对原材料、热处理等方面进行了复查。

通过对该批原材料的入所复验情况（包括：质量证明书如表1所示、化学分析报告如表2所示、高倍试验报告如表3所示）进行复查，该批高温合金圆钢的各项指标均满足标准要求，因此排除了原材料的因素导致螺栓开裂的可能。

表1 质量证明书

表2 化学分析报告

表3 高倍试验报告

通过对该批高温合金圆钢的热处理工序复查，发现该批高温合金圆钢的热处理制度及操作过程与以往一致，不存在异常现象。但是，该批次螺栓的下料数量比以往多，且采用铁丝将这些棒料串起，捆扎一起放入炉中进行热处理的装炉方式，可能会导致捆扎在中心位置的高温合金圆钢没有达到热处理效果。

3 分析与讨论

3.1 机理分析

该批高温合金圆钢采用的热处理制度为固溶+时效。热处理过程具体的工艺参数为：固溶处理：随炉升温至（980±10）℃，保温60min，保温结束后油冷；时效处理：随炉升温至（720±10）℃，保温16h，保温结束后出炉空冷。GH2132高温合金螺栓开裂的原因可能是高温合金钢热处理不充分所致，而高温合金圆钢没有达到热处理效果的原因有以下两点：

a. 固溶处理加热时装炉量过大

GH2132高温合金固溶处理前的组织为γ+γ′+Ti(C、N)+M3B2。固溶处理的主要目的是使γ′完全溶于γ之中，并获得适当晶粒度的γ，因此，采用固溶处理会促使析出相γ′溶解，晶粒尺寸更为均匀。由于GH2132材料中合金元素多，导热性差，组织转变缓慢，需要加热保温时间长。如果固溶处理加热时装炉量较大，且是捆扎于炉中，会致使在规定的工艺时间范围内，捆扎在中间位置的高温合金圆钢并没达到固溶处理温度或者是保温时间不足，造成γ′相未完全溶于γ相之中，组织转变不充分。

b. 时效处理时装炉量过大

在时效处理过程中，GH2132合金中强化相γ′开始析出并长大。GH2132高温合金时效的目的是使已固溶于γ中的γ′强化相以极微小的10～20nm细颗粒状析出并均匀地分布在γ基体上，γ与γ′形成共格，使合金达到最大的强化效果。由于固溶处理时中间位置的高温合金圆钢加热不足，再加上时效处理时装炉量过大（同固溶处理时装炉量），在时效处理时捆扎在中心位置的高温合金圆钢保温时间仍明显不足，使γ′相的析出量和分布状态达不到要求[4，5]。

3.2 验证试验

取18根同规格同批次的高温合金圆钢，在热处理工序前对这18根高温合金圆钢进行磁粉探伤，确保其表面没有裂纹存在，再采用相同的热处理制度捆扎在一起进行热处理操作。在热处理完成后，再次对该18根高温合金圆钢进行磁粉探伤，发现放置在中间位置的5根高温合金圆钢表面出现了轻微的裂纹缺陷。这个验证试验证实了高温合金圆钢热处理不充分是导致GH2132高温合金螺栓开裂的原因。

3.3 预防措施

根据现有高温箱式炉的规格大小，规定在进行6mm规格的高温合金圆钢热处理过程时每炉热处理的数量不得超过40根，且在装炉时高温合金圆钢不得捆扎、叠放，需单层平铺在炉底板上。

4 结束语

通过对裂纹的微观形貌进行的观察分析以及GH2132高温合金螺栓加工流程的复查，找出了螺栓开裂的原因是高温合金圆钢热处理不充分导致，并进行了试验验证，采取了规定高温合金圆钢热处理过程中的装炉量和装炉方式预防此类问题的再次发生。

1 华国强. 材料手册（金属）[M]. 上海：中国科技集团公司第八研究院，2007

2 师昌绪. 中国高温合金手册[M]. 北京：中国标准出版社，2012

3 秦鹤勇. 优质高强GH2132合金的形变强化和热处理制度研究[J]. 钢铁研究学报，2011(23)：44～47

4 孙守功. GH2132高温合金热处理后硬度低的原因分析[J]. 金属热处理，1999(12)：32～33

5 邰清安. 热处理制度对GH2132合金组织性能的影响[J]. 材料热处理学报，2015(2)：56～59

Causes for Crack of GH2132 High Temperature Alloy Bolt

Chen Jun Qiang Jinlin Zhu Lijian Wang Yong Zhao Zhiquan

(Shanghai Space Propulsion Technology Research Institute, Shanghai 201109)

The crack was present in bolt of GH2132 high temperature alloy after processing. In this paper, after studied the crack morphology and surrounding tissue, rechecked the whole processing for the bolt at the same time, the possibility reason might cause the bolt crack occurred for the raw material and machinery processing were excluded. The final reason might be the insufficient heat treatment of the raw material and the result was verified through repeated experiments. After confirmed the root cause for the bolt crack, the charging batch and charging mode within the heat treatment of high temperature alloy was re-made to prevent this defect to happen again.

GH2132；high temperature alloy；bolt；crack

陈军（1984），工程师，材料加工专业；研究方向：固体火箭发动机型号及金工工艺。

2017-08-15