A-100钢锻造工艺参数和大型模锻件应用研究

刘伟红，贺 韡，陈素明

(1.中航西安飞机工业集团股份有限公司，陕西 西安 710089; 2.空装驻西安地区第一军事代表室，陕西 西安 710089)

A-100 钢是美国Carpenter技术公司在1992年开发的一种新型的超高强度钢，其名义化学成分为Fe-0.23C-11.73Ni-13.85Co-3.13Cr-1.25Mo，简称A-100钢。该合金具有突出的综合性能：高的强度、断裂韧性、延展性和抗疲劳性能。其抗拉强度可达1 930 MPa以上，断裂韧性超过了110 MPa·m-2，同时它还具有更加优良的抗应力腐蚀断裂和抗疲劳断裂的能力，是航空航天的理想材料。主要用于要求材料具有高强、高韧的零部件的制造上[1-3]。

对于如何发掘A-100钢的力学性能，达到强度和断裂韧性的最佳匹配，国外学者进行了大量研究。最初，A-100钢σb=1 965 MPa，KIC= 115 MPa·m-2。后来，Reghavan等人通过优化时效工艺取得了σb>2 000 MPa，KIC=149.3 MPa·m-2。Lee仅改进锻造工艺实现了σb=2 069 MPa，KIC>121 MPa·m-2。KojiSato通过对钢中夹杂物的改性使钢的性能达到了σb=1 946 MPa，KIC=182.4 MPa·m-2[4]。

国内对于提升A-100钢综合性能的研究基本都集中在对钢中杂质元素和微量元素的控制上[5-7]。对于如何通过优化锻造工艺参数，借助大压力的锻造设备，获得8级以上的细晶组织进而提升A-100钢的综合性能，目前还研究较少。

本文通过小试样镦粗实验，研究锻造工艺参数和A-100钢晶粒度之间的关系，在得到较优化的锻造工艺参数的基础上，利用400 MN大型模锻液压机，在国内首次成功生产出了晶粒度满足8级要求的大型A-100钢模锻件，实现了A-100钢细晶化锻造技术的工程化。

1 原材料和实验方法

实验材料是A-100高镍钴二次硬化型超高强度钢。实验采用规格为Φ20 mm×22 mm的圆柱试样。试样的原始组织为晶粒度为7.7级的等轴晶粒,如图1所示。

图1 试样原始组织

实验分两部分进行。第一部分：在变形速率为0.1 s-1时，分别研究变形温度和变形量对A-100钢晶粒度的影响，变形温度分别为980、1 050、1 100、1 150 ℃，变形量分别为0%、10%、30%和50%。

第二部分：研究变形温度为1 050 ℃、最后一火次变形量为50%，其余火次变形量为0%时，加热火次对A-100钢晶粒度的影响。实验选取的加热火次为1次和2次。

为使晶粒度容易观察，最终热处理只做淬火处理，具体热处理制度为：预备热处理：900 ℃保温1 h空冷，680 ℃保温8 h空冷；最终热处理：885 ℃保温1h油冷。采用线切割方法将试样沿轴线剖开，制作成高倍试样，在徕卡DMLM型金相显微镜下进行观察，每个试样随机选取三个视场，采用截点法并由专用软件分析得到晶粒度级别，晶粒度评级方法按照GB/T 6394 (ASTM E112—2010)进行，晶粒度检测结果以平均值报出。

2 实验结果与分析

2.1 变形温度和变形量对A-100钢晶粒度和显微组织的影响

表1为不同变形温度和变形量下A-100钢晶粒度级别。由表1可以看出，在同一温度下，随变形量的增大，晶粒度越大；同样的变形量下，随变形温度的增大，晶粒度级别先增大后减小。在变形温度为980 ℃，变形量为0和10%时，晶粒度也可以到达7.7～7.8级，这与原材料的晶粒度相当，表示在此温度下，10%以下的小变形量也不会使晶粒长大，当变形量到30%以上时，晶粒度较原材料略有提高。在变形温度为1 050 ℃时，变形量在10%以下时，晶粒度级别也与原材料基本相当，30%以上的变形量会使晶粒度级别明显提高到8.3级以上。在变形温度为1 100 ℃以上时，晶粒开始显著长大，晶粒度较原材料下降明显，尤其是10%以下的小变形时，晶粒度降低到了7级以下。

表1 不同变形温度和变形量下的晶粒度

图2为不同变形温度和变形量下A-100钢的显微组织。由图2可以看出，在变形温度为980 ℃时，不变形的试样组织形态基本保持了原材料的显微组织形态，但晶粒尺寸比原材料有所增大，50%变形量的试样部分晶粒呈长条状，晶粒尺寸有所减小，为典型的塑性变形组织，表明在此温度下，还没有发生完全的动态再结晶。在1 050 ℃时，未变形的试样晶界较模糊，部分晶粒长大明显，50%变形量的晶粒为完全的等轴组织，表示在此温度下已发生了完全的动态再结晶，从而使晶粒细化。变形温度为1 100 ℃时，不变形和50%变形量的试样，部分晶粒都已经有一定程度的长大，晶粒大小不均匀。1 150 ℃时，不变形和50%变形量的试样，晶粒都明显粗化。这表明在实验工艺条件范围内，A-100钢完全动态再结晶温度在1 050～1 100 ℃。

图2 不同温度和变形量下的显微组织

2.2 加热火次对A-100钢晶粒度和显微组织的影响

由变形温度对A-100钢晶粒度的影响可以看出，在实验工艺条件下，变形温度为1 050 ℃时，晶粒最细小，晶粒度级别最大。在实际工程化应用中，考虑到锻压设备能力、复杂锻件外形尺寸和表面质量要求等因素，加热火次的选择也尤为重要。因此选择变形温度为1 050 ℃，分别进行1次加热50%变形和1次加热空烧后再进行1次50%变形，考察加热火次对A-100钢晶粒度和显微组织的影响。

表2为变形温度为1 050 ℃、变形量为50%时，分别加热1火和2火后的A-100钢晶粒度，图3为对应的锻造参数工艺参数下A-100钢的显微组织。从表2可以看出，当加热火次为2次时，虽然第2火的加热温度和变形量等参数与只加热1次的完全相同，但首先进行了一次空烧无变形，晶粒度只有7.8级，相比于只进行一次加热的情况，其晶粒度降低了0.7级。从表3可以看出，两火次加热相比于一火次加热，部分晶粒长大明显，且晶粒尺寸不均匀。

表2 不同加热火次后的晶粒度

图3 分别加热1火和2火后的晶粒度

3 A-100钢细晶化大型模锻件研制

从变形温度和变形量对A-100钢晶粒度和显微组织的影响，以及加热火次对A-100钢晶粒度和显微组织的影响两方面的研究可以看出，控制变形温度为1 050 ℃、变形量为30%～50%，并一火次成形，可以得到8级以上细小、均匀的显微组织。

使用上述较优化的工艺参数，通过数值模拟技术得到了较优化的坯料，使之满足一火次模锻时，锻件各部位变形量为30%～50%的条件，在某公司400MN模锻液压机上试制了两批次某型飞机A-100钢模锻件。试制结果表明，锻件心部和表面均达到了8级以上的晶粒度，综合性能全面达标。图4为通过数值模拟得到的模锻完成后锻件典型横截面的变形量分布图。

图5为A-100钢起落架模锻件显微组织，表3为A-100钢起落架模锻件力学性能。

图5 A-100钢模锻件显微组织

从图5可以看出，模锻件表面和心部组织均细小，均匀；从表3可以看出，两批次模锻件均达到了优良的综合性能，尤其在优化锻造工艺参数的基础上，首次在国内取得了σb>1 950 MPa，KIC>150 MPa·m-2，具有优良综合性能的细晶化大型A-100钢模锻件。

表3 A-100钢模锻件力学性能

4 结 论

(1)在同一温度下，随变形量的增大，A-100钢晶粒度越大。在变形温度为980 ℃时，变形量在10%以下时，晶粒度和原材料相当，变形量在30%以上时，晶粒度较材料略有增大。在变形温度为1 050 ℃时，变形量在10%以下时，晶粒度同样和原材料相当，变形量在30%以上时，晶粒度级别提高到8.3级以上。在变形温度为1 100 ℃以上时，晶粒开始显著长大，晶粒度较原材料下降明显。因此，变形温度为1 050 ℃、变形量为30%～50%为较优化的锻造工艺参数。

(2)变形温度为1 050 ℃时，加热一次并在变形量为50%的条件下，A-100钢晶粒度为8.5级；加热空烧一次，并再次加热在50%变形量的条件下，晶粒度为7.8级，并有晶粒大小不均匀的现象。因此，一火次成形有利于实现A-100钢的细晶化。

(3)采用得到的较优化的工艺参数，试制了两批次某型飞机A-100钢模锻件。试制结果表明，锻件心部和表面均达到了8级以上的晶粒度。在优化锻造工艺参数的基础上，首次在国内取得了σb>1 950 MPa，KIC>150 MPa·m-2，具有优良综合性能的细晶化大型A-100钢模锻件。