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GH2132是我國試制的鐵基沉淀硬化高溫合金,相當(dāng)于美國A286高溫合金。該材料是在650℃下制備的它具有高的屈服強(qiáng)度、持久強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度,并具有良好的加工塑性和滿意的焊接性能。這種合金在中國已經(jīng)用于航空??蓮V泛應(yīng)用于現(xiàn)場,適合于650℃以下的生產(chǎn)工作的航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫承載部件,如渦輪盤、壓氣機(jī)等圓盤、轉(zhuǎn)子葉片和高溫緊固件等。
GH2132合金航空發(fā)動(dòng)機(jī)螺栓技術(shù)要求①室溫抗拉強(qiáng)度≥900 MPa;②硬度27 ~ 35 HRC③應(yīng)力斷裂試驗(yàn):650℃,加載480 MPa,保溫23 h打破;④粒度≥5,不允許有粗、細(xì)晶帶。但是是的,技術(shù)要求中沒有提到高溫強(qiáng)度指標(biāo)和疲勞性能指標(biāo)。在長期的航空GH2132螺栓生產(chǎn)中,該螺栓由GH2132制造在合金冶煉過程中,每爐批的成分含量都有波動(dòng),雜質(zhì)的元素偏析、數(shù)量、類型、尺寸、形狀和熱變形和其他因素。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)熱處理系統(tǒng)進(jìn)行熱處理后,晶體和耐久性不能同時(shí)滿足技術(shù)要求的問題非常認(rèn)真。
所有高溫合金都是以γ奧氏體為基體,從室溫到高溫。具有面心立方結(jié)構(gòu)。因此,在高溫合金的熱處理過程中,該相的再結(jié)晶不能細(xì)化晶粒。隨著溶液溫度的升高 以及高保溫時(shí)間的延長,晶粒長大趨勢更加明顯。晶粒度和熱處理工藝通常在標(biāo)準(zhǔn)熱處理制度中規(guī)定。在范圍內(nèi),選擇較低的固溶保溫溫度和較短的固溶保溫時(shí)間,但是GH2132合金在根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)老化系統(tǒng)老化后的耐久性能不好保證。所以在目標(biāo)之前,高溫合金的冶煉水是國產(chǎn)的。接下來,我想同時(shí)保證GH2132航空發(fā)動(dòng)機(jī)螺栓產(chǎn)品粒度和耐久性只能在老化系統(tǒng)上調(diào)整。及格研究了不同時(shí)效制度對(duì)GH2132航空發(fā)動(dòng)機(jī)螺栓性能的影響,為了使GH2132航空發(fā)動(dòng)機(jī)螺栓具有良好的耐久性最佳處方系統(tǒng)。
試驗(yàn)材料 本試驗(yàn)的原材料為真空感應(yīng)和真空自耗電極重熔我公司生產(chǎn)的GH2132國產(chǎn)高溫合金規(guī)格為5。冷拉狀態(tài)下3mm巴錄書合金的化學(xué)成分如表1所示,符合GJB 2611—1996航空用冷拉高溫合金棒材規(guī)范的規(guī)定。
上海飛釩特鋼集團(tuán)有限公司
試樣尺寸 常溫拉伸、高溫拉伸、耐久和疲勞樣品使用螺紋量規(guī)187-32UNS-3A 12點(diǎn)螺栓,硬度和金相檢驗(yàn)樣本量為5。3毫米×12毫米。螺栓頭是熱鐓的類型,示例結(jié)構(gòu)如圖1所示。
測試方法和設(shè)備 為了與實(shí)際生產(chǎn)條件一致,對(duì)力學(xué)性能樣品進(jìn)行了統(tǒng)一。采用熱鐓粗。然后在同一爐中于980℃ ×1 h進(jìn)行固溶處理,根據(jù)不同的陳化制度進(jìn)行陳化,最后統(tǒng)一搓絲后進(jìn)行各項(xiàng)測試檢測。每爐掛3片進(jìn)行持久試驗(yàn),以第一片的斷裂時(shí)間為依據(jù)時(shí)間長;試驗(yàn)的疲勞載荷為抗拉強(qiáng)度的60%,即540 MPa載荷,低載荷按高載荷的10%,即54 MPa進(jìn)行拉-拉疲勞檢測。試驗(yàn)使用的設(shè)備是WZH WZC-30雙室真空油淬爐45型單室真空回火爐,N-336型六角車床,J23-63B型熱鐓機(jī)床,CK6432數(shù)控車床,CM6125普通車床,H3-5滾輪,PCB-14S-NC數(shù)控?zé)o心磨床,RP24-E-CNC進(jìn)口滾壓機(jī),HR150-A洛氏硬度計(jì),CMT5105常溫(高溫)拉力試驗(yàn)機(jī),R-9200G疲勞試驗(yàn)機(jī)、GWT2015耐久試驗(yàn)機(jī)、ZXQ-5金相試樣自動(dòng)壓片機(jī),MA2001金相顯微鏡。GH2132合金老化方案如表2所示。
硬度 表3顯示了不同老化系統(tǒng)后的螺栓硬度,表3中的螺栓硬度根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),可以看出680℃ × 24 h時(shí)效后螺栓的硬度數(shù)值最高,平均32。3 HRC,這與標(biāo)準(zhǔn)處方系統(tǒng)相比是平均的提高60 ℃× 16 h時(shí)效后,硬度略高于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)效制度:650℃ × 24 h時(shí)效后,螺栓硬度,比較平整平均值為28。2 HRC。
室溫拉伸強(qiáng)度 表4顯示了表4中不同老化體系后室溫下的拉伸強(qiáng)度根據(jù)室溫拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù),680℃ × 24 h時(shí)效后,室溫與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)效體系相比,溫度拉伸值最高,平均值為1256 MPa。平均增幅48 MPa。680℃ × 16小時(shí)老化后的室溫電阻拉伸強(qiáng)度略高于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)效制度,在650℃ × 24 h時(shí)效后室溫拉伸強(qiáng)度,平均值為996 MPa。
高溫拉伸強(qiáng)度 表5顯示了不同老化系統(tǒng)后螺栓的高溫拉伸強(qiáng)度,包括表5高溫拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,680℃ × 24 h時(shí)效后與標(biāo)準(zhǔn)相比,高溫后拉伸值最高,平均值為1000 MPa。 效率系統(tǒng)平均提高37 MPa。680℃ × 16 h時(shí)效后,具有較高的溫?zé)崂鞆?qiáng)度略高于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)效制度。650℃ ×24小時(shí)后高溫后的抗拉強(qiáng)度,平均值為793 MPa。
耐久性能 表6顯示了不同老化系統(tǒng)后螺栓的耐久數(shù)據(jù),由表6組成根據(jù)耐久試驗(yàn)數(shù)據(jù),680℃ × 24 h老化后耐久時(shí)間最長,為27。比標(biāo)準(zhǔn)老化系統(tǒng)高74%。在680℃ × 16小時(shí)老化后持續(xù)時(shí)間略高于標(biāo)準(zhǔn)老化系統(tǒng)650℃時(shí)×24小時(shí)后的持續(xù)時(shí)間,僅為18。五十六個(gè)小時(shí)。
疲勞性 表7顯示了不同老化系統(tǒng)后螺栓的疲勞數(shù)據(jù),由表7組成根據(jù)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù),650℃ × 24 h時(shí)效后的疲勞表現(xiàn)最好,平均118.91萬次。680℃ × 24小時(shí)老化后疲勞性能,平均40.44萬次。與標(biāo)準(zhǔn)處方系統(tǒng)相比,減少了47。23%,但仍遠(yuǎn)高于6.5萬時(shí)代周刊。因此,GH2132螺栓經(jīng)680℃ × 24 h時(shí)效后,可用于制造使用安全可靠。
微觀結(jié)構(gòu) 圖2顯示了不同老化系統(tǒng)后螺栓的微觀結(jié)構(gòu)。你可以看到經(jīng)過四次時(shí)效制度,晶粒度均為7級(jí)。熱處理工藝決定晶粒尺寸的因素是固溶溫度和固溶保持時(shí)間。因此,為保證晶粒度合格,必須在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的固溶溫度下進(jìn)行當(dāng)在該時(shí)間范圍內(nèi)選擇溶解溫度和最短溶解溫度時(shí)介于。時(shí)效后,GH2132析出相的尺寸為納米尺寸米級(jí),所以無法在光學(xué)金相顯微鏡下鑒定其形貌和數(shù)量。
討論和分析 圖3顯示了不同老化系統(tǒng)后螺栓的硬度、強(qiáng)度和耐用性和疲勞壽命。表3 ~表7、圖2、圖3所示結(jié)果表明,與原標(biāo)準(zhǔn)時(shí)效制度相比,時(shí)效時(shí)間為680 ℃× 24 h。 GH2132航空發(fā)動(dòng)機(jī)后螺栓的硬度、強(qiáng)度和耐久性可以顯著提高。
合金高溫析出強(qiáng)化的機(jī)理[1]析出強(qiáng)化機(jī)有以下四種系統(tǒng):①共格應(yīng)變強(qiáng)化機(jī)制:γ′相是鐵基和鎳基的高溫結(jié)合金的主要強(qiáng)化相,以及許多高溫合金中析出的γ′相和伽馬矩陣是相干的。盡管γ’和γ具有相同的面心立方結(jié)構(gòu),但兩者晶格常數(shù)不同,會(huì)產(chǎn)生相干應(yīng)變。因此在γ′相的圓周將產(chǎn)生高彈性應(yīng)力場,阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)對(duì)共格應(yīng)變強(qiáng)化的機(jī)理做了大量的研究。 ②旁路機(jī)制:在高溫合金γ奧氏體基體中熔化分散的沉淀顆粒,當(dāng)這些顆粒比基體堅(jiān)硬時(shí),其強(qiáng)度高于基體當(dāng)體積較大、顆粒間距較大或與基質(zhì)無共格關(guān)系時(shí),它會(huì)移動(dòng)位錯(cuò)不能切割這樣的粒子。你只能繞過它才能過去一些障礙,留下大量位錯(cuò)環(huán)強(qiáng)化基體。
③錯(cuò)位切割包括晶粒有序機(jī)制:當(dāng)高溫合金γ基體中析出相的硬度較低時(shí),強(qiáng)度不高,與基體γ一致,有共同的滑動(dòng)面。和Bertrand矢量之差很小,或者基體中的位錯(cuò)總數(shù)是析出相中位錯(cuò)總數(shù)的一半。位錯(cuò),運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)以切割γ′相的形式穿過勢壘結(jié)果是一致的。
④位錯(cuò)攀移機(jī)制:當(dāng)外加應(yīng)力較低時(shí),不足以啟動(dòng)位錯(cuò)切割機(jī)制或Orowan當(dāng)繞過機(jī)制時(shí),蠕變變形只能借助位錯(cuò)通過熱激活來爬升遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過強(qiáng)化粒子。
一般來說,沉淀強(qiáng)化機(jī)制是位錯(cuò)、γ′相和硬化顆粒的相互作用增強(qiáng)了基體。因此,降水增強(qiáng)相數(shù)是高溫合金強(qiáng)化的根本保證,即使高溫合金基體的成分不同,制備工藝包括有些是鑄造的,有些是熱加工變形的,但它們?cè)谑覝叵虑?。?qiáng)度隨著高溫合金中γ′相總量的增加而增加。同樣的,高溫合金的持久強(qiáng)度也隨著γ′相體積分?jǐn)?shù)的增加而增加。一般來說,γ′相的體積分?jǐn)?shù)隨合金中Al+Ti的加入量而變化含量增加。此外,增強(qiáng)相γ′的尺寸和間距在高溫下合金的強(qiáng)度是一個(gè)非常重要的參數(shù)。對(duì)于較低的γ′相內(nèi)容(通常機(jī)制。γ′相尺寸越大,強(qiáng)度越好。合適的尺寸為10 ~ 50納米。對(duì)于奧羅萬旁路和爬升機(jī)制希望γ′相的尺寸越小,因?yàn)閷?duì)于相同總量的γ′相,γ′相間距越小,強(qiáng)度越高。和錯(cuò)位切割機(jī)預(yù)計(jì)隨著顆粒的增加,γ′相將更大,強(qiáng)度也將增加。此外,合金中還存在兩種或兩種以上的γ′相,它們向位錯(cuò)移動(dòng)能有效提高合金的強(qiáng)度和高溫耐久性能。
根據(jù)工程材料實(shí)用手冊(cè)和超級(jí)合金材料學(xué)習(xí)簡介:GH2132是一種高鈦低鋁合金,已通過原標(biāo)準(zhǔn)。熱處理后,Ni 3 (Ti,Al)型γ′相、TiN和TiC,在晶界處,靠近晶界處有微量的M 3 B 2有少量η相和L相,晶粒尺寸為6 ~ 7。γ′相的溶解分解溫度為830-850℃,初始析出溫度為650℃左右。70 ~ 730℃析出最多。原始標(biāo)準(zhǔn)熱處理后γ′相的數(shù)量約占合金質(zhì)量的2% ~ 3%,直徑約為10 ~ 20 nm。盡管而原來的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)效溫度是時(shí)效析出的GH2132合金的γ′相。與峰值溫度相比,680℃時(shí)效后的γ′相數(shù)量減少。標(biāo)準(zhǔn)老化溫度。然而,在680℃時(shí)效后,γ′相的尺寸析出尺寸越小,分散度越大,對(duì)錯(cuò)位的阻擋作用越強(qiáng)。此外,在680℃時(shí)效后,緩慢冷卻至γ′相開始。 當(dāng)沉淀溫度為650℃時(shí),不同的尺寸會(huì)繼續(xù)沉淀發(fā)散度較高的γ′相不僅增加了γ′相的數(shù)量,而且獲得了各種尺寸的“γ"相,從而產(chǎn)生硬度、強(qiáng)度和耐久性顯著提升。隨著合金強(qiáng)度的增加,合金的塑性降低,導(dǎo)致韌性降低,最終導(dǎo)致疲勞壽命降、低。所以680℃后×24 h時(shí)效后,其硬度、強(qiáng)度和耐久性均高于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)效體系。更高,疲勞壽命降低,但用的是GH2132合金我公司生產(chǎn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)螺栓產(chǎn)品技術(shù)條件不疲勞能源指標(biāo)要求。
為了評(píng)價(jià)GH2132發(fā)動(dòng)機(jī)在680℃ × 24 h老化后的性能螺栓的使用安全,參考航空發(fā)動(dòng)機(jī)螺栓產(chǎn)品疲勞壽命≥65000次的性能需要進(jìn)行疲勞試驗(yàn),平均疲勞壽命為404400次,遠(yuǎn)高于65000次。所以680℃ ×24 h時(shí)效制度可以保證GH2132航空發(fā)動(dòng)機(jī)的螺栓安全的使用。
提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)用GH2132螺栓產(chǎn)品的強(qiáng)度和耐久性,并保證疲勞性能,老化系統(tǒng)溫度應(yīng)為680 ℃× 24 h。
結(jié)論 1)與GH2132合金原標(biāo)準(zhǔn)時(shí)效制度相比,為720℃ ×16 h,采用680℃ × 24 h時(shí)效制度,合金性能有較大提高硬度、室溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度,并且其斷裂時(shí)間可以增加超過20%。 2)采用固溶處理工藝參數(shù),保證晶粒尺寸的前提下,提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)GH2132合金的耐久性最佳時(shí)效制度為680℃ × 24 h,緩慢冷卻。GH2132合金在680 ℃× 24 h時(shí)效后的疲勞壽命雖然壽命降低了,但仍高達(dá)40.44萬次,遠(yuǎn)高于航空。技術(shù)條件規(guī)定的65000次。因此,使用起來是安全的。
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