蔡 梅，劉建平，吳香菊，臧德昌，李春生

(中航工業(yè)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110043)

GH625是以鉬、鈮為主要強(qiáng)化元素的固溶強(qiáng)化型鎳基變形高溫合金，具有優(yōu)良的耐腐蝕和抗氧化性能，從低溫到980℃具有良好的拉伸和疲勞性能，以及耐鹽霧氣氛下的應(yīng)力腐蝕，廣泛用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件、宇航結(jié)構(gòu)部件。

通過(guò)GH625合金的不同加熱工藝、變形工藝、熱處理工藝與組織、性能關(guān)系的研究，確定出合理的熱工藝參數(shù)，為該合金的鍛件生產(chǎn)和技術(shù)條件的編制提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 熱處理工藝試驗(yàn)

1.1.1 材料

GH625合金熱處理工藝試驗(yàn)采用Φ25 mm的熱軋棒料，合金冶煉工藝為真空感應(yīng)+電渣，原始軋棒的晶粒度較細(xì)，為NO.7～8級(jí)，碳化物為2級(jí)，化學(xué)成分、金相組織及各種性能指標(biāo)均符合棒材技術(shù)條件的要求。

1.1.2 試驗(yàn)方案

GH625合金熱處理工藝試驗(yàn)選用對(duì)原始棒材Φ25 mm均壓扁至15 mm，后經(jīng)不同的固溶溫度、固溶時(shí)間、冷卻方式分別研究了固溶溫度、固溶時(shí)間、冷卻方式對(duì)GH625合金組織和性能的影響規(guī)律。具體的熱處理試驗(yàn)工藝參數(shù)如表1所示。

表1 熱處理工藝試驗(yàn)方案

1.1.3 設(shè)備

熱處理工藝試驗(yàn)中壓扁試驗(yàn)選用1500 t熱模鍛壓力機(jī)進(jìn)行，熱處理選用5 kW高溫電爐進(jìn)行。

1.1.4 結(jié)果及分析

1.1.4.1 對(duì)晶粒組織的影響

圖1～圖5為GH625合金熱處理工藝試驗(yàn)后的晶粒組織圖片，表2為晶粒組織檢驗(yàn)結(jié)果。

表2 GH625合金熱處理后晶粒組織的檢驗(yàn)結(jié)果

圖1 GH625合金950℃固溶處理金相組織

圖2 GH625合金975℃固溶處理金相組織

圖3 GH625合金變形后990℃固溶處理金相組織

圖4 GH625合金變形后1000℃固溶處理金相組織

圖5 GH625合金變形后1030℃固溶處理金相組織

總體上看，大部分試樣再結(jié)晶不完全，呈現(xiàn)未再結(jié)晶的大晶粒和完全再結(jié)晶的小晶粒間雜的混晶組織。因此只能對(duì)完全再結(jié)晶的小晶粒區(qū)域進(jìn)行晶粒度評(píng)級(jí)，結(jié)果如表2所示。隨固溶溫度升高，均勻變形區(qū)逐漸增多，晶粒略有長(zhǎng)大。同水淬相比，空冷的晶粒度要稍大一些。固溶溫度為990℃時(shí)，隨保溫時(shí)間延長(zhǎng)，未再結(jié)晶區(qū)域明顯減少，組織更加均勻，晶粒組織有所長(zhǎng)大。當(dāng)固溶處理溫度達(dá)到1030℃時(shí)，出現(xiàn)了類似大晶粒吞并小晶粒的現(xiàn)象，因此懷疑原始變形組織存在小變形粗晶區(qū)，該區(qū)在加熱過(guò)程中不能發(fā)生再結(jié)晶，但可吞并周圍小晶粒而長(zhǎng)大。可能是由于此原因，合金在固溶處理的溫度范圍內(nèi)一直存在混晶組織。

1.1.4.2 對(duì)機(jī)械性能的影響

表3為不同固溶溫度、冷卻方式下的室溫拉伸性能檢驗(yàn)結(jié)果。表4為不同固溶溫度、冷卻方式下的高溫拉伸性能檢驗(yàn)結(jié)果。表5為不同固溶時(shí)間下的室溫拉伸性能檢驗(yàn)結(jié)果，表6為不同固溶時(shí)間下的高溫拉伸性能檢驗(yàn)結(jié)果。

表3 不同固溶溫度、冷卻方式下的室溫拉伸性能指標(biāo)

表4 不同固溶溫度、冷卻方式下的高溫拉伸性能指標(biāo)

表5 不同固溶時(shí)間下的室溫拉伸性能指標(biāo)

表6 不同固溶時(shí)間下的高溫拉伸性能指標(biāo)

圖6 固溶溫度對(duì)GH625合金室溫拉伸性能的影響

圖7 固溶溫度對(duì)GH625合金高溫拉伸性能的影響

圖8 固溶時(shí)間對(duì)GH625合金室溫及高溫拉伸性能的影響

如圖6所示，固溶溫度從 950℃升到1030℃，室溫強(qiáng)度指標(biāo)略有下降，塑性指標(biāo)略有上升，整體變化趨勢(shì)不明顯。水冷強(qiáng)度和塑性指標(biāo)略低于空冷。從圖7所示，隨著溫度的升高，高溫強(qiáng)度指標(biāo)有些上下波動(dòng)，塑性指標(biāo)變化較大，固溶溫度為975℃時(shí)，塑性指標(biāo)最低。從圖8所示，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，室溫和高溫強(qiáng)度指標(biāo)略有升高，塑性指標(biāo)略有下降。

1.1.5 小結(jié)

根據(jù)以上綜合結(jié)果，合理的熱處理溫度范圍為:990℃～1030℃。990℃處理時(shí)可適當(dāng)延長(zhǎng)保溫時(shí)間(990℃ ×120 min，AC)處理，合金基本上完成了再結(jié)晶。在此溫度范圍內(nèi)處理，可獲得6～8級(jí)晶粒組織，綜合力學(xué)性能較好。同水淬相比，空冷的晶粒度要稍大一些，同空冷相比，水淬的組織要更加均勻一些。

1.2 熱變形工藝試驗(yàn)

1.2.1 材料

GH625合金熱變形工藝試驗(yàn)采用Φ43 mm的熱軋棒料，合金冶煉工藝為真空感應(yīng)+電渣，原始軋棒的晶粒度為NO.6～7級(jí)，碳化物為2級(jí)，化學(xué)成分、金相組織及各種性能指標(biāo)均符合棒材技術(shù)條件的要求。

1.2.2 試驗(yàn)方案

熱變形工藝試驗(yàn)采用熱模擬壓縮試驗(yàn)，將Φ43 mm的熱軋棒料切割成Φ10×15 mm的圓柱體，變形條件中加熱溫度采用930℃ ～1180℃之間9 個(gè)溫度點(diǎn)，應(yīng)變速率采用 10 s－1和 80 s－1，變形量采用 10%、20%、40%、70%，升溫速率為5℃/s，保溫時(shí)間為5 min，冷卻方式為空冷。具體試驗(yàn)參數(shù)組合見(jiàn)表7。

表7 GH625合金熱模擬壓縮試驗(yàn)方案

1.2.3 設(shè)備

熱模擬壓縮試驗(yàn)選用Gleeble 3500試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。

1.2.4 結(jié)果與分析

圖9～圖17為不同溫度下應(yīng)變速率對(duì)該合金應(yīng)力應(yīng)變的影響曲線。圖18～圖19為不同速率下溫度對(duì)合金應(yīng)力應(yīng)變的影響曲線。

圖9 軋態(tài)GH625合金930℃下的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖10 軋態(tài)GH625合金930℃下的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖11 軋態(tài)GH625合金1000℃下的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖12 軋態(tài)GH625合金1050℃下的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖13 軋態(tài)GH625合金1100℃下的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖14 軋態(tài)GH625合金1120℃下的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖15 軋態(tài)GH625合金1140℃下的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖16 軋態(tài)GH625合金1160℃下的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖17 軋態(tài)GH625合金1180℃下的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖18 軋態(tài)GH625合金在不同溫度下以10 s－1速率變形的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖19 軋態(tài)GH625合金在不同溫度下以80 s－1速率變形的應(yīng)力應(yīng)變曲線

以上結(jié)果表明，該合金的變形溫度一般應(yīng)高于1100℃。低于該溫度，合金的變形抗力較高，并且軟化機(jī)制不易啟動(dòng)，容易造成組織不均勻，嚴(yán)重時(shí)可能造成開(kāi)裂。從降低變形抗力的角度考慮，溫度越高越好，但溫度過(guò)高將導(dǎo)致晶粒過(guò)大。對(duì)于變形量較大時(shí)，可以考慮適當(dāng)降低變形速率，這樣即有利于降低變形抗力，又有利于達(dá)到穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，而穩(wěn)態(tài)流動(dòng)應(yīng)更有利于均勻變形并獲得均勻組織。對(duì)于變形量較小的情況，高速變形更有利于組織控制，因?yàn)榇藭r(shí)較小應(yīng)變即可以進(jìn)入穩(wěn)態(tài)流動(dòng)狀態(tài)，即再結(jié)晶可以在較小應(yīng)變量下發(fā)生。但高速變形容易造成短暫的鋸齒形流變，即不均勻變形，因此變形量一般不應(yīng)低于10%。

1.2.5 小結(jié)

綜上所述，在沖擊變形的條件下，變形合理溫度位于1100℃ ～1140℃范圍內(nèi)，變形量為20% ～50%，臨界變形為10%左右。

2 結(jié)論

GH625合金合理熱工藝參數(shù)為:變形溫度1100℃ ～1140℃，變形量20% ～50%，臨界變形為10%左右。合理的熱處理溫度范圍為:990℃ ～1030℃，保溫時(shí)間為60 min，990℃處理時(shí)可適當(dāng)延長(zhǎng)保溫時(shí)間，在此溫度范圍內(nèi)處理，可獲得6～8級(jí)晶粒組織。與空冷相比，水淬組織更加均勻，晶粒更細(xì)小些。

［1］《中國(guó)航空材料手冊(cè)》編輯委員會(huì).中國(guó)航空材料手冊(cè)第2冊(cè)［M］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

［2］中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)塑性工程學(xué)會(huì).鍛壓手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［3］吾志崗，李德富.GH625鎳基合金的高溫壓縮變形行為及組織演變［J］.中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2010，20(7):1321－1327.

［4］吾志崗，李德富，郭勝利，等.變形條件對(duì)GH625，合金高溫變形動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的影響［J］.稀有金屬，2010，34(6):833－838.

［5］閆士彩.Inconel625合金高溫高速變形行為及其管材高速熱擠壓工藝優(yōu)化［D］.大連:大連理工大學(xué)，2010.

［6］郭青苗，李德富，彭海健，等.應(yīng)變速率對(duì)GH625合金熱變形過(guò)程組織演變的影響［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33(5):587 －592.

［7］蔡玉林，鄭運(yùn)榮.高溫合金的金相研究［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1986.

［8］Q/S10－0311－2004，GH625合金熱軋和鍛制棒材［S］.