镍基合金热处理-校对资料.doc

1、8.3 镍基高温高弹合金的应力松弛铁基高温高弹合金中往往含有不少的Ni和Cr,但镍的含量总是少于50%当合金中的含镍量超过50%时,则属于镍基合金了这类合金是在电热合金Ni80Cr20的基础上开发出来的,取名尼蒙尼克(Nimonic)系合金例如尼蒙尼克7580A115120等,其热强性依次提高,相应地有美国研制成的取名因康耐尔(Incone1)系合金等我国的高温合金(GH)中相应有GH4169(Incone1718)和GH4133(与Inconel -750相近)这些合金是Ni一Cr或Ni-Cr-Co为基的固溶体,其特性是耐热稳定性(热强性)好,耐蚀性高,大部分合金在较大温度范围内无磁性下面重

2、点以GH合金制造的汽油发动机中的刮片弹簧为例,讨论应力松弛问题8.3.1 耐热弹簧(刮片簧)的松弛变形失效与选材1)汽油机转子发动机刮片簧的工况条件与技术要求汽油机转子发动机具有结构简单质量轻高速动力性能好等优点,其结构示意图如图8-5a所示转子发动机缸体1中有一个三角形转子2,转子的三个边把缸体分割成三个工作室,转子转动一圈,每个工作室依次进气压缩点火爆发到排气完成一个工作循环为了保证密封,转子的三角上都有一个刮片3刮片的底部均有一个弓形刮片簧4它的作用是要保证刮片始终与缸体型面相贴合因此,刮片弹簧是转子发动机中一个重要的功能性零件因为它的工作情况直接影响到片簧与缸体的密封效果,即直接影响到

3、发动机性能发挥的好坏由于刮片簧是在缸体内工作,工况条件苛刻,工作温度经常在300380之间,局部极限温度可达800,瞬时高温燃气还会扫过,工作应力较高,且易氧化和腐蚀等刮片弹簧尺寸随机型的不同而有差别试验用的刮片弹簧为弓形薄片状(图8-5b),长宽高分别为634.390.63mm弓形自由高度为4.18mm装配高度为1.98mm假定刮片簧工作一段时间后的自由高度降低0.05mm,经计算其应力松弛值为2.27%5实际表明,应力松弛和蠕变是刮片弹簧失效的主要原因2)刮片弹簧的受力分析与材料选择大多数的耐热弹簧在高温时承受一个较大的静载荷和一个较小的循环载荷刮片弹簧也是这样,即保证片簧与缸体型面始终贴

4、合的弹力P必须大于此时刮片的径向惯性力Fr设计者经过研究和计算,为了使发动机正常起动和运转(例如起动速度为300r/min),只需P比Fr大0.05N即可事实上,当转子起动后的Fr很小,可以忽略不计,此时主要靠径向背压力来保证刮片与缸体型面的贴合密封刮片弹簧的弹力主要用来克服起动时刮片径向惯性力,并保证它与缸体型面的密封绝大多数的场合下,刮片弹簧的弹力均大于0.06N刮片簧在起动时和启动后都处于装配高度之下,故可认为它承受的是单一的静载荷如考虑循环载荷(例如,每一个工作循环都受到燃气产物的冲扫等)和磨损,刮片簧的弹力还应大一些,例如,取P=7.36N(如德制M612型转子发动机的刮片簧)总之,

5、刮片簧的受力虽然较复杂,但经实际分析,刮片的径向惯性力和循环载荷都较小,可以忽略不计,因此它承受的主要是静载荷在服役过程中的失效形式不是疲劳断裂,而是蠕变和应力松弛通过初步计算,刮片簧的应力松弛值为2.27%,此时相应的蠕变行为引起时残余变形量只有0.005%,即松弛挛形为蠕变量的460倍所以,应力松弛(或松弛变形)是刮片弹簧失效的主要原因如选用一般弹簧钢(65Mn或50CrVA片材)制作,显然不合适区它们使用一段时间就严重变形,丧失弹性,使发动机性能急剧下降,甚至造成停机事故,再次启动十分困难,故这类材料不宜选用一般选用高温合金来制造,例如选用铁基的3J型或GH2132(A286)制造,因为

6、这些合金在高温下的松弛抗力比通用弹簧钢好得多这几种合金以最佳热处理状态制造刮片弹簧,再在320和400下保持150h后的挠度变化()及应力松弛率()见表8-5由该表中数据可知,在320下夹持150h后,3J-1片簧的挠度变化值为0.084mm,3J-3比3J-1好,是其81%,GH2I32(A286)合金者更好,是其51%如在400试验时,三种材料的挠度均相应减小,但更显出GH2132合金优于3J-3,以3J-1合金最差某厂用3J-1合金制成的上述尺寸的刮片簧在装车试验时失效失效的3J-1合金片簧由均匀弓形的一段变成近似平直,其余部分仍然完好平直的部分表面发黑在发黑(平直)部分完好部位和介于两

7、者之间的过渡部位分别取样,进行金相组织观察结果是:完好部位仍为3J-1合金时效后组织;过渡部位已开始了局部再结晶,但仍只留了部分相; 而发黑部位几乎是全部再结晶,但其再结晶过程并未完成3J-1合金的再结晶开始温度在800左右,由金相组织分析表月,发黑部位的实际温度决非们400,而接近800造成刮片弹簧局部温度升高的原因比较复杂,主要有刮片簧刮片和刮片槽之间的间隙在槽的两端不等(因加工精度不高),间隙较大的一端受到高温燃气的冲刷作用较强, 此时刮片簧部分受热大, 故温升过高, 导致组织和性能发生急剧变化而失效从表8-5中对比可知, 3J-3的抗松弛性能优于3J-1合金, 但劣于GH2132(A2

8、86)合金调整时效工艺可以改善松弛性能,例如3J-3合金的刮片簧分别在时效温度600650700及750×4h进行时效处理,在400×400h的条件下进行夹持试验后的松弛率相应为10.65%7.8%6.53%和15.3%,表明时效工艺不同对片簧的高温抗立力松弛性能的影响相当显著但是, 3J-3合金的最高工作温度不超过400, 用它制作该刮片弹簧仍不能满足设计要求如选用GH2132(A286)合金制作该刮片簧, 它在650的屈服强度()弹性极限()及疲劳强度()都下降很少, 但高温持久强度在600以上时下降较快(图8-2)它在538时的松弛特性参看表8-3, 如在140h后的

9、负荷损失率已达10%(试验应力为549MPa)从表8-5可看出,它的抗应力松弛性能明显优于3J-3合金,也只能在550以下长期工作8.3.2 高温合金GH4169(InconeI7I8合金)的应力松弛从铁基高温合金3J-1刮片簧的失效分析可知, 该材料的耐热稳定性(如抗氧化等)和热强性不够好,不能满足刮片簧的使用要求镍基高温高弹性合金的特点是热强性更好抗氧化和耐蚀性高选用GH4169(7I8)合金制作刮片簧, 在某厂TZ2120型转子发动机上通过了600h的装机试验为此,必须对镍基高温合金的合金化原理热处理工艺及处理后的高温力学性能等有一个扼要的了解镍基高温高弹性合金的合金化原理与铁基大体相似

10、,目的都是为了满足热稳定性和热强性更高更好的技术要求耐热(高温)稳定性主要包括抗氧化性组织结构稳定性和力学性能等铁的熔点比镍稍高,但镍的抗氧化能力大镍是面心立方结构(即奥氏体), 其结构稳定性比钢(奥氏体钢)要高因此,镍基合金比铁基合金具有更好的耐热稳定性热强性是指镍基(或铁基)固溶体的强度, 固溶强化是研制高温合金的重要指导思想这类合金命名为GH3×××,其中3代表固溶强化的镍基合金另一条思路就是固溶后必须通过时效处理方能达到强化效果,这就是时效硬化型镍基高温合金,相应牌号为GH4×××,其中4代表时效强化的镍基合金为了提高合金的耐

11、热稳定性,加人20%左右的Cr, 如另加人MoCoW等元素, 则含铬量可减少到10%I3%为了提高时效硬化效果, 应适量添加(Ti+Al)等合金元素,并且两者的含量为2:1(Ti:Al)时具有良好的高温强度和抗热腐蚀性能由于这类合金进行高温固溶处理后一般需经过热或冷塑性变形,获得线材或板材或加工成所需形状的弹性元件,再通过时效处理达到所需的强韧性配合由以上对3J-1型铁基耐热合金制成的刮片簧的失效分析可知,再结晶温度是另一个重要指标如果元件工作温度过高,达到了合金的再结晶温度时将发生再结晶,甚至是聚集再结晶现象,使材料几乎完全丧失高强硬性和高弹性(失效)为了提高这类合金的再结晶温度几,必须选用

12、高熔点金属元素(因Tr0.4)和适量加人那些能阻碍其再结晶过程的合金元素, 例如TiNbZr及B等所以,镍基高温高弹合金是Ni-Cr系和Ni-Cr-Co系合金,基体是奥氏体, 另加人MoWNbTiAlB等元素形成强化相但(Mo+W)含量不得大于10%, (Ti+Al)总含量不得大于5%,否则,热加工性能变坏镍基高温高弹合金的力学性能与其组织结构密切相关,如晶粒大小碳化物及金属间化物()的形态大小和分布等都是通过热处理工艺来控制的这类合金的热处理一般由固溶处理中间处理和时效处理组成固溶处理的目的是为了溶人较多的碳化物和相而获得过饱和的固溶体(即合金奥氏体);其次是为了得到适当的晶粒度在高温下长期

13、工作的元件,晶粒度以34级为好,这样可得到较高的抗蠕变性能固溶温度一般在10401230范围内选择此类合金经高呈固溶处理后再加低温时效便可得到足够好的拉伸和短期的持久性能, 但由于组织仍不够稳定, 不适于制造长期服役的弹性元件为此,需在时效前进行8501100的中间处理,主要作用是改变在奥氏体晶界上析出碳化物的形态数量和分布,也使相的分布更为合理时效处理的目的是更充分而均匀地析出强化相质点, 一般选7001000为宜(含AlTi较多时取高限), 有些合金采用多次热处理规范(如两次固溶+两次时效)可提高它的蠕变性能和长期使用的稳定性能镍基高温高弹性合金经过热处理后的高温力学性能见表8-6该表中前

14、两个牌号属于Ni-Cr系,后两个牌号属于Ni-Cr-Co系看来,含Co的镍基高温合金具有更高的持久耐热性能GH4169(Inconel718)合金是以相析出强化的Ni-Cr-Fe合金它除有良好的抗氧化性和耐蚀性外,在700以下的组织稳定性和热强性也相当不错它的高温力学性能见图8-6同温度下的弹性模量(E和G)见图8-7,不同温度下的持久强度见图8-8由图8-6及8-7可知,温度升高时,强度指标()和弹性模量(E和G)都逐渐降低,塑性()几乎不变当温庋超过650时,上述各项性能指标均急剧下降从图8-8中各曲线变化趋势可知,540的持久强度随时间延长而下降的趋势较小,而目.偏离直线不大,到700的

15、持久强度随时间延续而下降的趋势明显加快,而且偏离直线也明显提前曲此可见,GH4169(718)合金只能在600可使用1万小时以上GH4169(718)合金板材经过不同的冷变形加工后制成上述刮片弹簧在550作静态夹持试验,发现弹力和挠度的下降率均随冷变形量的减小而减小(图8-9),当冷变形量达30%时,片簧的负荷(弹力)损失率增大5倍试验结果表明,工作温度比较高时,该合金片材不进行冷变形加工只进行过固溶处理(为1000)及时效处理后的刮片簧具有最好的抗应力松弛性能(图8-9中曲线1)如簧片必须减薄时,变形量宜相应减小对于高温合金制成的片簧或其他弹性元件,工作温度越高,冷变形量宜越小两者大致存在如

16、下关系:使用温度范围150320320480及大于500时对应的冷变形量为30%30%-15%和小于15%总之,温度对各种弹性材料应力松弛的影响非常显著通过前述各章表明,无论是碳素弹簧钢低合金弹簧钢或各种不锈钢,还是耐热钢或高温合金,只要是通过冷塑性变形(如冷拔或冷轧等)得到时型材,在退火时效或加热强压处理中的温度一旦超过其再结晶温度,就会使材料的弹惟微塑性变形抗力指标及元件的抗应力松弛性能严重恶化所以,各种弹簧或弹性元件的工作温度不应超过选用材料的再结晶温度由此可推论出一条思路,即选择高熔点金属元素为基,如铁基镍基及铌基合金作为高温合金的主要原因就是这些金属元素再结晶温度比较高的缘故影响再结

17、晶温度的其他因素有二一是适当加入一些强碳化物形成元素,如WMoZrNb等及微量的硼(B),通过时效析出金属间化合物或碳化物和硼化物并分布在奥氏体晶界附近,阻碍其再结晶过程,同时也非常有效地提高微塑性变形的抗力指标因而有利于改善合金的抗松弛性能二是冷塑性变形程度对材料的再结晶过程有重要影响众所周知,泠变形程度越大,再结晶温度越低也可以说,冷变形程度越大,材料组织的稳定性越差,越容易发生再结晶现象和应力松弛现象这对对高温高弹合金尤为重要GH4169合金制成的刮片弹簧进行热强弯处理(即用夹板将压平于500保持8h)和未进竹的弹簧比较,经450x600h的动态模拟实验 (和工况条件类似)后测量挠度的变

18、化,结果见表8-7由该表可知,热强弯处理能有效提高GH4169(718)合金刮片抗应力松弛性能3.3,3 NiCr15Fe7NbTi2Al(Inconel X-750)美国早期研制的镍基高温合金:Incone1X-750是以AlTiNb强化制成的Ni-Cr-Fe系合金它的持点是:在816以下有良好的抗腐蚀和抗氧化性能,也有良好的蠕变性能和高温持久强度,又能耐低温(-253),成型性能亦较好它主要用于制造宇航工业中的高温高弹性元仵该合金的典型热处理工艺如下退火,9551010,水冷完全热处理,固溶处理+时效处理前者的工艺参数为11351165×24h,空冷;后者的工艺参数为830855

19、×24h,空冷,690720×20h,空冷特殊热处理板材和带材的具体工艺为退火(600700)×20h,空冷;棒材相应为970995×1h,空冷的固溶处理+分级时效725740×8h,炉冷,冷速55/h,冷却到615630时保温,总时效时问为18h,空冷热处理时应在无硫的中性或还原性气氛中进行薄带材(厚度<0.5mm)应在氩气或干燥的氢气中退火,以免损失表面强化元素用硬带材或线材制成的弹簧必须进行回火处理,如在635665时效4h后空冷, 可获得最好的室温强度为了在480650工作时具有最好的抗松弛性能, 对于已进行65%冷变形的线材应选

20、择完全热处理工艺-750合金经热处理后在不同温度下的力学性能见图8-10由该图可看出,温度超过6000时,它的强度()迅速下降因此,以该合金制成的弹性元件也只能在650以下使用x-750合金在不同温度下的持久强度见图8-11由该组曲线可知, 温度越高, 持续的时间越长, 其强度越低从540到730范围内, 其持久强度几乎按比例降低,下降的速率大体相同;当温度在760:815时, 其持久强度以更快的速率降低-750合金不同温度下的弹性模量见图8-12该图和图8-7基本类似,说明Inconel X-750和718合金的弹性模量均随温度升高而降低并且,动态测定的EG高于静态时测定值,温度越高时差值也

21、越大用-750合金丝冷卷成簧,经730×16h,室冷时效后在应力=69-491MPa温度为430595条件下的应力松弛曲线见图8-13比较这些曲线可知,松弛过程均可分为两个阶段: 瞬态松弛和稳态松弛图中实线为时效硬化弹簧测得的松弛曲线由此可见,提高松弛试验温度或增大试验应力水平均使弹簧的变形量(,%)增加例如,当试验应力为412MPa时,该簧在430松弛20天后,变形量小于4%;如在595松弛同样长的时间,变形量超过了14%(增大3.5倍)从图8-13c还可看出,如果经过65%的冷变形的硬材制成的同样的弹簧也在430松弛不同时间,其松弛变形量也显著增大(如虚线所示)这再一次证明,冷塑

22、性变形程度过大时将降低合金的抗应力松弛性能8.3.4 Ni-Cr-Co系镍基高温合金的应力松弛Ni-Cr-Co系镍基高温合金是Ni-CrW(Mo)-Co沉淀硬化型材料常用牌号有NiCr19Co6W10Ti3AlB(3N578)NiCr19Co11-Mo10Ti3AlB(GH141)及NiCr19Co13Mo4Ti3AlB(美Wapaloy)等上述合金中的NiCrTiAl及B的含量基本相同,主要差别是Co及W(Mo代)的含量稍有不同其性能特点是:强度弹性和塑性在-196600范围内优于3J型合金,在热带海洋性大气或某些腐蚀性介质中具有很高的稳定性,适于制造在500600工作的仪表弹性元件弹性合金

23、的主要力学性能指标是eps及弹性模量EG与温度的关系抗松弛(或抗蠕变)性能是否良好,对弹性元件的品质具有决定性意义首先介绍EN578合金的性能特点图8-14为该合金在不同温度下的弹性模量和强度指标从该图可看出, 固溶处理后进行30%的冷变形将提高强度指标(特别是p提高更显著),但使塑性()降低这种趋势可维持到600该合金0.38mm厚的带材常在弯曲条件下工作,抗弯性能见图8-15由该图可知,冷轧带材的各向(纵向和横向)同性良好该种材料的应力松弛性能见图8-16由该图可见,松弛过程明显分为两个阶段瞬态松弛只经历50100h后便进人稳态松弛阶段,此时的松弛速率很小并趋于一恒定值,即应力降低10%之

24、后,合金的性能趋向稳定另一方面,它的纵向比横向具有更好的抗松弛性能其次分析GH141合金它经1080固溶处理和760×16h时GH141合金的弹性模量E和G也随试验温度的升高而下降图8-17可见,E在650左右时下降趋势较快,G值随温度升高呈线性缓慢降低该合金经不同处理制成的弹簧在不同温度应力及时间(5h-140h)条件下的负荷损失率如表8-10所列仔细分析该表中的数据可知可知,固溶后制作的弹簧经时效后在相同的松弛温度(538)下于不同试验应力时松弛5140h范围内的负荷损失率变化不大(6%10%),但进行过冷变形(15%30%)的材料制成的弹簧经相同时效处理的负荷损失率(松弛试验条件相同)将增大91倍左右并且, 冷变形量越大, 松弛率越大如果提高试验温度(由538提高到704), 弹簧的负荷损失率更是成倍增长(不过, 应注意,此组合金的时效工艺是816×16h, 雨不是上一组那样的732×16h)上述试验结果表明,冷变形量增大时将使弹簧的松弛迟缓增大,固溶状态材料比冷变形大的材料制成的簧具有较好的抗应力松弛性能该