定向凝固镍基高温合金冷加工工艺特性研究

定向凝固镍基高温合金冷加工工艺特性研究

严智虎

中石化江钻石油机械有限公司  湖北   武汉  430000

摘要：镍基高温合金的切削作用力较大，在加工过程中需要使用冷加工工艺降低切削温度，为保证服役中工件表面完整性和稳定性，研究定向凝固镍基高温合金冷加工工艺特性。选择Nimonic PE13作为试验材料，对定向凝固镍基高温合金冷加工工艺温度和时间进行分析。研究结果表明，定向凝固镍基高温合金的抗拉强度和延伸率随变形量的增加而变化，最后趋于稳定。在冷加工初期，元素扩散速度快，后期扩散驱动力逐渐减小，因此镍基高温合金的性能和晶粒尺寸出现变化，并且温度越高，达到元素均匀分布所花费的时间越短。冷加工工艺具有硬化效果，降低材料裂纹出现概率。

关键词：定向凝固；镍基高温合金；冷加工；工艺特性；

中图分类号：TG146.2文献标识码：A

0引言

镍基高温合金以镍为基本元素，其晶体结构在熔化过程中保持不变。在高温和强机械应力环境下，合金具有抗氧化和抗腐蚀能力，元素通道中镶嵌方块结构，能够保持组织稳定性，具有优越的综合性能，因此被广泛应用于机械制造中[1-2]。合金材料在机械应力作用下，容易在应力轴垂直方向上出现裂纹，导致位错切割和攀移，形成性能薄弱区。采用定向凝固技术后，横向晶界消除，固溶过程中无新相生成。定向凝固处理使镍基高温合金的蠕变抗力得到增强，延长了材料的服役寿命[3]。镍基高温合金的切削作用力大，在加工过程中需要使用冷加工工艺降低切削温度，保证服役中工件表面完整性和稳定性。冷加工工艺可以快速控制晶界脆性碳化物膜。本文对定向凝固镍基高温合金冷加工工艺特性进行研究，降低固溶处理难度，增强合金的持久强度。

1 试验材料与方法

本试验所采用的原材料是Nimonic PE13镍基高温合金叶片，其化学成分如表1所示。

表1原材料化学成分

冷加工对合金元素的偏析存在双重影响，一方面固相转移量增多，另一方面溶质扩散被抑制。元素扩散过程可用下式表征：

（1）

式（1）中，和表示两种元素的浓度；表示时间；和表示枝晶组织位置。任意时刻，元素浓度按照扩散系数发生交互作用。利用能谱仪测定合金成分的偏析情况，冷加工工艺对合金变形的影响参数主要为变形量、温度、晶粒度和时间。在加工中，通过再结晶调节组织结构，保证合金的塑性和硬度。亚动态再结晶尺寸可以表示为：

（2）

式（2）中，为亚动态再结晶尺寸；为模型系数；为初始尺寸；为应变速率；为Zener-Hollomon参数。由此，得到晶粒长大模型：

（3）

式（3）中，为指数函数；为晶粒长大激活能；为温度；为气体常数。冷加工工艺促使金属产生形变，并出现加工硬化部分时合金均匀变形。在试验中，保持变形速率不变，将合金试样的变形量设定为20%-60%，控制冷加工温度为100-500℃，时间为1-5h。

2冷加工工艺特性分析

2.1冷加工工艺温度分析

定向凝固镍基高温合金材料经冷加工工艺处理后，叶片材料会出现硬化现象。为消除材料定向凝固的内应力，对合金叶片进行冷加工处理，提高材料塑性。在不同冷加工温度下，对镍基高温合金的抗拉强度和延伸特性进行分析。冷加工工艺温度对合金表面拉伸变形所产生的影响如图1所示。

（a）抗拉强度

（b）延伸率

图1温度对合金表面塑性的影响

在合金试样的变形量为20、40和60%的条件下，不同温度对合金性能的影响存在一定差异。经过定向凝固处理后，材料内部存在畸变现象，晶界元素逐渐分解，当温度升高后，发生回溶现象。从图1（a）中可以看出，合金表面的抗拉强度呈现出先升高后降低的趋势。当冷加工艺温度为200℃时，合金具有相对较高的抗拉强度。当温度保持固定不变时，合金变形量为20%的抗拉强度高于40%和60%的情况。温度升高后，内部生成脆性结构，强度逐渐减低。由图1（b）可知，合金表面的延伸率随着冷加工工艺温度的升高而升高。在冷加工工艺过程中，结构缺陷会有所消除，晶粒的尺寸出现变化。不同冷加工工艺温度条件的晶粒变化情况如表2所示。

表2不同温度的晶粒尺寸（um）

随着温度的升高，无论多大变形量，镍基高温合金内部发生再结晶现象。晶粒的增长趋势相同，具体数值存在差异。由表2可以看出，在冷加工时间相同的情况下，温度越高，晶粒尺寸越大，基体组分的位错密度很高。当温度增加到400℃以上时，位置相近的亚晶粒发生大角度迁移，生成结晶晶粒。

2.2冷加工工艺时间分析

在冷加工工艺温度分析的基础上，选择200℃作为试验温度，改变加工时间，分析镍基高温合金的性能。在加工时间为1-5h的条件下，合金材料的抗拉强度和延伸性能的测试结果如图2所示。

（a）抗拉强度

（b）延伸率

图2时间对合金表面塑性的影响

改变合金试样的变形量，不同冷加工时间对镍基高温合金表面的抗拉强度和延伸率造成不同影响。从图2（a）中可以看出，在开始的2h内，抗拉强度的下降速率较快，随着冷加工时间的增加，以较缓慢的趋势下降。在加工时间相同时，变形量为20%的镍基高温合金的抗拉强度最高，随着变形量的增加，强度值逐渐降低。由图1（b）可知，合金表面的延伸率随着时间的增加而增大，在4-5h内范围内逐渐趋于稳定。在确定温度下，延长冷加工工艺时间，在原子迁移作用下，元素的偏析系数下降。不同冷加工工艺时间对晶粒变化的影响如表3所示。

表3不同时间的晶粒尺寸（um）

在温度固定时，合金的晶粒尺寸随冷加工工艺时间的增加而增大，受力位置的晶粒向内部扩展，方向也发生转动，相邻晶粒存在吞并现象。在冷加工初期，元素扩散速度快，后期扩散驱动力逐渐减小，因此镍基高温合金的性能和晶粒尺寸出现变化，并且温度越高，达到元素均匀分布所花费的时间越短。

3结束语

在冷加工工艺过程中，定向凝固镍基高温合金的抗拉强度和延伸率随变形量的增加而变化，最后趋于稳定。当温度保持固定不变时，合金变形量为20%的抗拉强度高于40%和60%的情况。合金表面的延伸率增大，在4-5h内范围内逐渐趋于稳定。受到应变作用的影响，晶粒尺寸发生变化，元素不均匀程度好转，合金内部亚晶发生迁移形成结晶。因此，冷加工工艺具有硬化效果，不会产生瞬间断裂的现象。

参考文献

[1]徐志强,杨树峰,赵朋,等.镍基高温合金GH4151的偏析及相析出行为[J].钢铁研究学报,2022,34(06):588-595.

[2]马向东,肖磊,杨金龙,等.新型第3代镍基粉末高温合金的热变形行为及本构方程[J].塑性工程学报,2022,29(05):143-152.

[3]刘晓功,饶洋,刘培元,等.温度梯度对籽晶法制备镍基单晶高温合金DD6凝固组织的影响[J].铸造,2022,71(04):415-419.