GH4169细晶热模环锻件的微观组织和高周疲劳性能

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GH4169细晶热模环锻件的微观组织和高周疲劳性能
2010-2-1 8:01:22
王资兴1 周奠华1 谢伟1 陈国胜1 邓群2
(1. 宝钢股份特殊钢分公司制造部
2. 钢铁研究总院高温材料研究所)

摘要：本文对一种热模锻细晶GH4169环锻件的微观组织、冲击韧性和高周疲劳性能进行了研究。研究结果表明：细晶环锻件可以由径锻细晶棒经过合理的热模锻造后，可获得10级或更细的晶粒组织，并且δ相呈颗粒状；锻件经过热处理后(980×1h℃/水冷＋620℃×12h/空冷)，具有良好的强度和塑性匹配，夏比U型缺口冲击韧性大于100J；在应力比为-1，应力集中系数Kt为1的情况下，疲劳极限可达620MPa，当应力集中系数提高到2.7时，疲劳极限可达260MPa。
关键词：GH4169合金，高周疲劳性能，细晶组织，冲击韧性

The microstructure and high-cycle fatigue performances of fine grains ring rolling GH4169 forgings

Wang Zixing1， Zhou dianhua1，Xie Wei1，Chen Guosheng1，Deng Qun2
(1. Manufacturing Management Department of Special Steel Branch Steel,2. High Temperature Materials Research Institute, Central Iron and Steel Research Institute)
Abstract: The microstructure, impact toughness and high-cycle fatigue properties of fine grains ring rolling GH4169 forgings are investigated in this paper. The results indicated: the fine grains ring rolling forgings can be obtained by forging fine grains GH4169 bars, the grain size can be over 10, and the δ phases are spheroidized. After heat treatment 980×1h℃/water cooling＋620℃×12h/air cooling, the forging can get very good synthesis mechanics properties, and the impact toughness can be over 100J. For the stress ratio is -1, the maximum stress for 107 fatigue cycles is over 620 MPa and 260 MPa, when the theoretical stress concentration factor is 1 and 2.7, respectively.
Key Words：GH4169 alloy, high-cycle fatigue properties, fine grains microstructure, impact toughness

0 前言
      GH4169合金，在低温至650℃具有很高的强度、良好的塑性、热加工性能和焊接性能好等优点，广泛应用于航空、航天、石油、核能、化工等领域[1-3]。近年来，为了满足各种不同的使用工况要求，国内对该合金的模锻工艺开展了深入的研究，除了采用水压机锻造和锤击锻造两种常规锻造工艺外，还发展了热模锻、保温模锻、等温锻造等先进锻造工艺生产强韧化的GH4169细晶模锻件，在高新动力装置中获得了越来越重要的应用[4-6]。
      某GH4169合金环锻件用于制造某新动力装置的关键部件，其部件由于长时间处于复杂交变载荷下，需要具有优良的冲击韧性和高周疲劳性能。本文对该环锻件的微观组织进行了全面的分析，在基本力学性能试验的基础上，研究了该锻件的冲击韧性和不同应力集中系数下的高周旋转弯曲疲劳性能。

1 试验材料及方法
1.1 试验材料
      试验坯料选用了宝钢股份特殊钢分公司生产的GH4169合金径锻棒材。其主要合金成分如表1所示。合金的冶炼工艺是真空感应熔炼＋氩气保护的电渣重熔工艺。电渣锭退火后经快锻开坯至250mm八角棒材，然后经1300t径锻机锻造至f105mm棒材。通过对Φ105径锻棒材的晶粒组织检验，棒材的平均晶粒度为7～9级。
表1 试验材料的化学成分  wt%
C        Mn        Cr        Ni        Mo        Al        Ti        Nb        Cu        Fe
0.024        0.02        18.84        53.64        3.08        0.53        0.95        5.23        0.03        余量

1.2 试验方法
      棒料在3000t油压机上经过二火锻造制成环锻件。第一火为镦饼制坯，坯料加热温度为990℃，锻后水冷。第二火锻造为终锻成形，坯料加热温度为990℃。为了防止终锻的温降和保持锻件均匀的温度场和变形场，终锻时采用特殊保温锻造和模具适温加热的方法。环锻件的基本尺寸如图1所示。锻件的热处理工艺为980×1h℃/水冷＋620℃×12h/空冷。
      材料的拉伸实验在MTS-810力学性能试验机上进行；冲击试验采用夏比V型缺口试验，在JB－30型冲击试验机上进行；旋转弯曲高周疲劳试验在E4疲劳机上进行，试验频率为80～85Hz，应力比为-1，试样有光滑和缺口(缺口半径为0.5mm)两种，其理论应力集中系数Kt分别为1和2.7。

2. 结果与讨论
2.1 坯料和环锻件的显微组织
      图2是环锻件各部位δ相及晶粒组织。从图中可见，径锻棒材经过在δ相的临界溶解温度990℃下模锻成环锻件后，δ相能够充分颗粒化 (球化)，δ相形貌呈颗粒状。环锻件的各部位平均晶粒度可评为10级或更细，尤以1/2厚度至外缘处，晶粒十分均匀、细小，而这种组织有利于锻件获得较高的塑性和疲劳性能。



图2 环锻件各部位δ相及晶粒组织
      资料[7]的研究结果表明，采用热模锻工艺锻造GH4169锻件时，模具加热温度在900℃～930℃，坯料加热温度在990℃～1020℃下，当坯料晶粒度大于或等于7级以上，经过一定的大变形量条件下的热模锻后，能获得10级以上的晶粒度。而本工艺试验中，对GH4169合金采用保温热模锻造，模具只需要中温加热600～650℃，同样可以获得10级以上的晶粒度，但模具加热温度和对模具材料的耐高温要求大大降低，可以较大幅度节约生产成本。
2.2 环锻件的基本力学性能
      经过本次试验设计的特殊热处理后的典型环锻件的基本力学性如表2所示。细晶环锻件经过热处理制度后，抗拉强度为1150～1250MPa，屈服强度为750～850MPa后，延伸率为30～38％，并且冲击韧性达到了100～130J，其强度与塑性平衡良好，具有较高的强度和韧性匹配。
表2 环锻件的基本力学性能
试验项目        抗拉强度(MPa)        屈服强度(MPa)        延伸率( %)        面缩率( %)        冲击韧性(J)
试验结果        1150～1250        750～850        30～38        42～50        100～130
      根据相关文献[8]，GH4169合金中，δ相的析出峰温度为930℃，980℃开始溶解，1020℃完全溶解；γ"相在650℃左右开始析出，840℃～870℃开始溶解，950℃完全溶解；γ′相在600℃开始析出，840℃开始溶解。本热处理制度固溶后采用水冷，大大抑制了δ相的析出，其δ相含量会低于标准热处理状态(980×1h℃/空冷＋720℃×8h/炉冷(50℃/h)到620℃×8h/空冷)。由于只采用了620℃的一阶段时效，而时效温度低于γ"相的开始析出温度。因此，合金在本热处理工艺中仅仅是通过γ′相进行强化，故其强度指标会低于标准热处理状态。但由于强化相数量的减少，会降低强化相的脆性效应，从而提高合金的塑性和冲击韧性。
2.3 环锻件的高周疲劳性能
      GH4169环锻件在热处理后室温下的光滑和缺口的疲劳S-N曲线如图3、图4所示。从图中可以看出，在应力比R为-1，应力集中系数分Kt别为1、2.7的条件下，环锻件的旋转弯曲高周疲劳极限分别是620MPa和260MPa，锻件表现出优良的抗高周其疲劳性能。


      对于本合金来说，由于细小均匀的晶粒组织能在交变应力作用下减小不均匀滑移的程度，从而推迟了疲劳裂纹的形成，细晶使晶界增多，有效地阻止了疲劳裂纹的扩展，故晶粒充分细化有利于提高合金高周疲劳性能[9-10]。有资料研究了晶粒大小对疲劳性能的影响，提出了类似霍尔－派奇公司的关系式[11]：
      
      本试验中，锻件的平均晶粒度可达到的10级以上，可以大幅度提高合金的高周疲劳性能。此外，本工艺采用了δ相的临界溶解温度锻造，获得了δ相典型的球状组织，从数量的减少和形态的优化两个方面充分弱化了δ相的脆性效应，也有利于合金的高周疲劳性能的提高。

3 结论
(1) 细晶环锻件可以由径锻棒经过合理的热模锻造工艺制得，各部位可获得10级或更细的组织，其中的δ相大部分为颗粒状或球状，其余为短棒状；
(2) 具有细晶组织的环锻件经过热处理后，具有良好的强度和塑性匹配，并且其冲击韧性可达100～130J；
(3) 在应力比R为-1，应力集中系数分Kt别为1和2.7的条件下，环锻件的室温旋转弯曲疲劳极限分别是620MPa和260MPa，具有优良的高周疲劳性能。

参考文献：
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[5] 王建平，周奠华. 某GH4169合金的两步锻造工艺[J]. 上海钢研，2006(3)，22-25
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[8] 《中国航空材料手册》编辑委员会. 航空材料手册(第2卷) [M]. 北京: 中国标准出版社, 2002: 356
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[11] 何肇基. 金属的力学性能[M]. 冶金工业出版社，1982：117