各类金属材料常见缺陷与对策

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（一）概述
      高温合金主要用于制造燃气涡轮发动机的重要零件，如涡轮叶片、涡轮盘、承力环、火焰筒安装座等。此类零件不仅要求具有很高的高温性能和良好的疲劳性能，而且要求具有抗氧化、抗腐蚀性能和一定的塑性。
      变形高温合金可分为铁基、镍基和钴基合金三类，这里主要介绍前两类。
      我国常用的合金牌号有GH30、 GH32、 GH33、 GH34、 GH36、 GH37、 GH43、GH49、GH130、GH135、GH140和GH220等。其中GH34、GH36、GH130、GH135、GH140是铁基高温合金，其余的是镍基高温合金。在这些高温合金中含有大量的Cr、Ni、Ti、Al、W、Mo、V、Co、Nb、B、Ce等合金元素。就铁基高温合金来说，加人较多的Cr是为保证合金在高温下的抗氧化能力；加人较多的镍，一方面是为保证得到奥氏体基体，另一方面是与钛、铝生成合金的主要强化相Ni3（Ti、Al），还有一个方面是镍和铬配合使用能够提高合金的抗氧化能力；加人高熔点的金属元素如W、Mo、V、Co等来提高合金的再结晶温度；加入W、MO、V、Nb等强烈的碳化物形成元素和合金中微量的碳作用，生成高度分散的高熔点的碳化物粒它们主要分布在晶界处，是强化相；加入硼是为了生成硼和金属元素间的硼化物，硼化物分布在晶界处，是强化晶界的主要强化相；铈的加入是为了进一步清除液态合金中的杂质元素，因而使合金晶界处得到净化，有较紧密的结合，有较高的强度。
      我国高温合金特别是镍基耐热合金的冶炼方法主要是电弧炉、电弧炉+真空自耗、电弧炉+电渣重熔。为了提高合金的纯度以提高合金的性能，往往采用电弧炉+真空自耗。但该种冶炼方法往往由于杂质少，易出现粗晶缺陷。

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耐热合金铸锭中存在的冶金缺陷较多，例如铸锭中柱状组织较为发达，存在显微疏松和枝状疏松以及各种宏观及微观不均匀组织，致使铸态合金的性能较低，经过热塑性变形后合金的性能有较大提高，随总变形程度增大，高温合金纵向纤维试样的力学性能，也和普通结构钢一样有规律地提高，但其横向试样的力学性能不像结构钢那样剧烈下降，而是变化较小。这是由于：具有均匀固溶体的单相高温合金，在变形及随后的再结晶所获得的晶体位向与主变形方向仅有较小的重合，这就减小了纤维纵向和横向力学性能之间的差别。而结构钢通常具有多相组织，在塑性变形过程中所获得的纵向上的方向性组织在再结晶后仍部分地保留下来，加之结构钢的杂质较多，它们沿纵向被拉长，这就使得其纵向和横向性能间的差别较大。
      为了获得较高的力学性能，高温合金的总压缩比通常控制在4～10范围内。
      晶粒尺寸对高温合金的性能有较大影响，从室温力学性能的角度看，晶粒愈细愈好。例如GH135合金，当晶粒度从 4～6级细化到 7～9级时，室温疲劳强度从 290MPa提高到400MPa，但从高温性能角度看，晶粒适当粗些可使晶界总面积减少，有利于提高合金的持久强度。对于高温合金来说，晶粒大小不均匀是最有害的，它将使持久强度和抗蠕变强度显著降低。因此，综合晶粒度对室温和高温性能的影响，取均匀适中晶粒为宜。
      高温合金锻件晶粒的最终尺寸除与固溶温度等有关外，还与固溶前锻件的组织状态有很大关系。如果锻后是未再结晶的组织．而且处于临界变形程度时，固溶处理后将形成粗大晶粒；如果锻后是完全再结晶组织，固溶处理后一般可以获得较细较均匀的晶粒；如果锻后是不完全再结晶组织，固溶处理后晶粒将是大小不均匀的。锻件的组织状态取决于锻造温度和变形程度，应注意控制。

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高温合金的锻造特点是：
      1.塑性低
      高温合金由于合金化程度很高，具有组织的多相性且相成分复杂，因此，工艺塑性较低。特别是在高温下，当含有s、Ph、Sn等杂质元素时，往往削弱了晶粒间的结合力而引起塑性降低。
       高温合金一般用强化元素铝、钛的总含量来判断塑性高低，当总含量≥6％（质量分数）时，塑性将很低。镍基高温合金的工艺塑性比铁基高温合金低。高温合金的工艺塑性对变形速度和应力状态很敏感。有些合金铸锭和中间坯料需采用低速变形和包套镦粗，包套轧制，甚至包套挤压才能成形。
      2.变形抗力大
      由于高温合金成分复杂，再结晶温度高，再结晶速度慢，在变形温度下具有较高的变形抗力和硬化倾向。变形抗力一般为普通结构钢的4～7倍。
      3.锻造温度范围窄
      高温合金与碳钢相比，熔点低，加热温度过高容易引起过热、过烧。若停锻温度过低，则塑性低、变形抗力大，且易产生冷热混合变形导致锻件产生不均匀粗晶。因此，高温合金锻造温度范围很窄，一般才200℃左右。而镍基耐热合金的锻造温度范围更窄，多数在100～150℃，有的甚至小于100℃。
      4.导热性差
      高温合金低温的热导率较碳钢低得多，所以，一般在700～800℃范围需缓慢预热，否则会引起很大的温度应力，使加热金属处于脆性状态。
      （二）锻造过程中常见的缺陷与对策
      高温合金锻件，除了因原材料冶金质量不良引起的非金属夹杂、异金属夹杂、带状组织。分层、碳化物堆积、点状偏析、残留缩孔和疏松等缺陷外，由于锻造工艺不当经常出现的缺陷有下面几种：
      1.粗晶
      粗晶是指在锻件中存在有晶粒粗大或晶粒大小不均匀的组织。它是高温合金锻件中最常见M一种缺陷。粗晶使材料的疲劳和持久性能明显下降。涡轮叶片、涡轮盘等重要零件，对粗晶均有严格要求。粗晶产生的主要原因有：变形温度低于或接近于合金再结晶温度；加热温度过高，变形程度小（处于临界变形程度范围内）或变形不均匀，以及合金成分控制不当等。具体介绍如下。
      锻造加热温度过高或原始晶粒过大，锻造时变形分布不均匀或变形小的部分落人临界变形范围；或锻造温度过低，形成冷热混合变形，固溶处理后在锻件体内将产生晶粒大小不均匀。防止的对策是控制好加热和锻造温度；改善坯料形状，使模锻时各断面变形尽量均匀一致；以及采用原始晶粒度小的坯料等。
      锻造时如表层金属变形程度小，落人临界变形范围或终锻时锻件表面温度低于合金的再结晶温度，留下加工硬化痕迹，固溶处理后将产生表面粗大晶粒。防止的对策是将模具预热温度提高到350℃，操作工具预热至150℃，采用效果良好的润滑剂，加快操作，防止闷模使金属表面温度急剧下降，最好整个模锻操作时间不超过10s。
      在其它条件正常的情况下如固溶温度过高将产生锻件整体粗晶。
      当合金中存在钛氨化合物、硼氮化合物等，形成偏析时，这些化合物偏析都阻碍晶粒长大，因此，锻件中有这类偏析的部分，具有细小的晶粒和较高的硬度，没有这类偏析的部分，晶粒则比较粗大，导致在锻件内形成大小不均匀的晶粒。

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为避免高温合金锻件产生粗晶，生产中还应注意如下问题：
      1）高温合金锻件的粗晶，与原材料及锻造工艺过程中各个环节（包括加热、变形、模具、润滑、操作等）均有关系。因此，为保证锻件质量稳定，工艺编制要详细、正确，执行工艺要严格、准确。高温合金的重要锻件，即使小量生产，也应采用模锻。
      2）不同牌号高温合金的再结晶特性有所不同。例如，多数高温合金的临界变形程度为3%～5%，而GH135合金为 4%～6%，锻造时应使各处变形程度超过上述数值。
      3）不同冶炼方法、不同炉号的同牌号高温合金，由于化学成分的实际含量有差别，因此实际再结晶温度和聚集再结晶温度常常是不一样的。强碳化物和金属间化合物的形成元素碳、铝、钛等的影响更为明显。例如，生产和试验证明：不同冶炼方法、不同炉号的GH33合金，其适宜的最高加热温度在1070～1140℃之间变化。因此应根据各批材料的情况采用具体的有效措施。
      2.裂纹
      高温合金由于塑性差，锻造时经常出现各种裂纹。尤其是铸锭，由于具有粗大的柱状晶，锻造时更易开裂。产生裂纹的原因主要有：
      1）有害杂质含量多，铅、秘、锡、锑、砷、硫等都是高温合金中的有害杂质，这些元素的熔点低，在合金中分布于晶界上，降低了合金的塑性；
      2）合金中某些元素（例如，GH37中的硅、硼及GH132、GH135中的硼）含量偏高，它们在合金中形成脆性化合物，并沿晶界分布，使合金的塑性降低；
      3）铸锭表面和内部的质量差，或棒材中存在某些冶金缺陷（例如，夹杂物、分层、缩孔残留、疏松、点状偏析、碳化物堆积等），锻造时引起开裂；
      4）在火焰炉中加热时，燃料和炉气中含硫量过高，硫与镍作用后形成低熔点共晶体，沿晶界分布，降低了合金的塑性；
      5）装炉温度过高，升温速度过快，尤其在加热铸锭和断面尺寸大的坯料时，由于合金导热性差，温度应力大，易引起炸裂；
      6）加热温度过高或变形温度过低；
      7）变形程度过大或变形速度过快；
      8）变形工艺不当，存在较大的拉应力和附加拉应力。
      为防止产生裂纹，应当采取如下对策：
      1）对原材料应按标准进行检查，要严格控制有害元素的含量。某些有害元素（例如硼）过多时，可适当降低锻造加热温度；
      2）铸锭需经扒皮或砂轮清理后，才能加热锻造；
      3）加热时应控制装炉温度和升温速度；
      4）在火焰炉中加热时应避免燃料中含硫量过高。同时，也不应在强氧化性介质中加热，以免氧扩散到合金中，使合金塑性下降；
      5）要注意控制加热和变形温度；
      6）铸锭拔长时，开始应轻击，待铸态组织得到了适当破碎，塑性有所提高后，再增大变形量。拔长时的每火次总变形量应控制在30％～70％范围内，不应在一处连击，应采用螺旋式锻造法，并应从大头向尾部送进。
      对于塑性很低的合金铸锭和中间坯，可采用塑性垫、包套墩粗等变形工艺。
      7)工模具应进行预热（预热温度一般为150～350℃），锻造和模锻时应进行良好的润滑。
     3 .过热、过烧
      若合金的加热温度过高，高温保温时间过长，则晶粒急剧长大，晶界变粗变直，析出相沿晶界呈条状和网状分布，使合金塑性降低，锻造时易产生开裂，同时还引起合金元素贫化。若进一步提高加热温度，则晶界上的低熔点相将发生氧化和熔化，形成三角晶界，使晶粒松弛并产生掉晶现象，锻造时产生碎裂。
      过热、过烧后的合金组织是不能用随后的固溶处理加以消除的，故应严格控制加热温度。
      4.合金元素贫化
      高温合金加热时，常产生碳、硼等合金元素贫化。碳、硼是强碳化物和金属间化合物的形成元素。贫碳、贫硼，将使合金的高温持久强度明显下降，室温塑性和韧性降低，并能引起表层晶粒粗大。采用无氧化加热可以防止贫碳，但贫硼现象仍然存在（见表5-5）。为减少合金元素贫化，应避免高温长时间保温。对于合金元素贫化的锻件，为了保证零件的使用性能，贫化层必须在机加工时全部除去。