熱處理工藝對高溫合金GH2132力學性能的影響

電機護環是緊固發電機轉子繞組端部線圈的箍圈,是發電機中承受應力最高的部件之一,護環的完整性是保證電機正常工作的關鍵所在。電機護環作為機車電機的重要部件,因其特殊的工作環境,要求很高的屈服極限及較高的綜合力學性能。長期以來,護環失效都是引發電機轉子失效的主要原因,現有的電機護環所用材料及其生產工藝技術已影響了我國新型內燃機車的發展進程。目前國內外電機護環用鋼基本采用Mn-Cr系或Mn-Ni-Cr系不銹鋼,而本文采用高溫合金GH2132作為電機護環用材料。GH2132合金為Fe25Ni-15Cr基高溫合金,加入Mo 、 Ti、Al、V及微量P,主要通過時效析出y'-Nis( Ti,Al)相進行強化[13]同時由于Cr的存在,有良好的抗腐蝕性能。該合金在650℃以下具有高的屈服強度和持久,蠕變強度,并且具有較好的加工塑性及滿意的焊接性能,因此常被用作航空緊固件等。本文研究了熱處理對優質高強CH2132合金組織、性能影響,以獲得最佳綜合性能指標,滿足電機護環的使用要求。

試驗材料及方法

試驗所用材料GH2132的主要化學成分如表1所示。試樣經線切割加工成b10 mm 的棒材,對試樣進行編號,分別使用不同的熱處理方法(見表2)。按照GB/T 228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》將試樣加工成標準拉伸試樣,在 Instron8501電液伺服力學拉伸試驗機上進行拉伸試驗,測試其力學性能。用220HBS-300 數顯布氏硬度計測量硬度。試樣機械拋光后,用1.5 g CuSO4+20 mL HCl +20 mLCH,OH腐蝕液腐蝕30 ~40 s ,用臺式BX41光學顯微鏡、SUPRA40場發射掃描電鏡觀察顯微組織及晶粒度,y'相的大小和分布。用 MPD 型X-射線衍射儀進行物相分析。

試驗結果及分析

圖1是不同工藝熱處理后試樣的顯微組織。可以看出,與固溶后未時效組織相比,合金經固溶時效處理后,組織晶界清晰,晶粒均勻完整,且呈等軸狀,并伴有少量固溶處理后再結晶過程中通過堆垛層錯生長而形成的孿晶(見圖1( c)中插圖)。經時效處理后,晶粒變得均勻細小,718℃時效的晶粒尺寸較700℃時效時的晶粒尺寸更加細小,分布更為均勻。

表3為合金不同工藝熱處理后的力學性能。可見，固溶后未時效處理試樣具有較低的強度和較高塑性,抗拉強度和屈服強度分別只有566.3 MPa和 343.5 MPa,斷后伸長率和斷面收縮率達到33.8%和38.4%。由于CH2132合金主要是通過析出y'-Nis(Ti，Al)相的沉淀強化作用來提高其強度,而未經時效處理的合金沒有y'-Nis(Ti，Al)析出相,因此強度相對較低,而塑性較高。

合金固溶處理后經700℃和718 ℃時效處理,強度和硬度明顯提高,其中抗拉強度分別提高到853.7 MPa和1055.0 MPa ,與未經時效處理的試樣相比,分別提高了51%和86% ,屈服強度也分別提高了41%和89% ,硬度分別提高了26%和37%。經過700℃時效后,合金塑性比沒有時效情況下有所下降,斷后伸長率和斷面收縮率分別降到23.3%和23.9% ;經718℃時效后,斷后伸長率和斷面收縮率分別降到24.7%和26.9%。經時效處理后,合金強度提高而塑性下降,這是由于時效使得固溶態的奧氏體析出y'相,起沉淀強化作用,同時析出相以切割機制阻止變形時位錯的運動,有利于強度的提高,但也會降低塑性,因此合金經時效后出現強度升高,塑性下降的現象。

對25Ni15CrFe基高溫合金GH2132采用了3種不同熱處理制度,以研究時效及時效溫度對合金力學性能的影響。700℃時效能將固溶后的CH2132的抗拉強度提高51 % ,達到853.7 MPa,屈服強度提高了41 % ,達到485.6 MPa,伸長率和斷面收縮率有所下降,分別為23.3%和23.9%。這是由于在時效過程中析出了細小且彌散分布于基體的y'-Nis (Ti，Al)相起到了沉淀強化的作用。將時效溫度提高到718 ℃,y'相析出數量增加,合金的抗拉強度進一步提高,達到1055 MPa和647.3 MPa ,伸長率和斷面收縮率與700℃時效相比略有回升,達到24.7%和26.9%。因此,982℃固溶＋718℃時效能使合金獲得較好的綜合力學性能。