(1. 瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 四川 瀘州 646000； 2. 重慶材料研究院有限公司， 重慶 400707； 3. 國家儀表功能材料工程技術(shù)研究中心， 重慶 400707； 4. 四川警察學(xué)院 刑事技術(shù)系， 四川 瀘州 646000)

內(nèi)燃機(jī)包括柴油機(jī)和汽油機(jī)，是機(jī)車和汽車的心臟，而小小的氣閥則是內(nèi)燃機(jī)的核心部件和易損部件，運(yùn)行在溫度高、腐蝕強(qiáng)、氣流快、磨損大的復(fù)雜環(huán)境中，其性能的可靠性直接關(guān)系到內(nèi)燃機(jī)使用安全性[1-3]。隨著內(nèi)燃機(jī)工業(yè)的發(fā)展，氣閥材料也從最初的馬氏體鉻硅耐熱鋼逐漸過渡到奧氏體鎳耐熱鋼和鎳基高溫合金。其中，鎳基奧氏體高溫合金通過Ni、Al、Ti等金屬間化合物的沉淀析出，有著比鐵基奧氏體合金更好的高溫疲勞強(qiáng)度和高溫力學(xué)性能，成為高負(fù)荷型內(nèi)燃機(jī)排氣門的首選材料[2,4]。

其典型代表為Nimonic 90、Nimonic 80A等鎳基奧氏體高溫合金。盡管它們有著顯著的性能優(yōu)勢(shì)，但其金屬鎳含量高達(dá)80%以上，價(jià)格居高不下[5-6]。氣閥作為一種市場(chǎng)產(chǎn)品，其原材料成本也是必須要考慮的重要因素，在保證使用性能的情況下，盡可能降低原材料成本，這在氣閥的整個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域尤其是民用領(lǐng)域都是非常重要的發(fā)展趨勢(shì)[1,7-9]。基于此，節(jié)鎳型氣閥高溫合金隨之發(fā)展并得到廣泛研究和應(yīng)用，如Inconel 751、Pyroment 31等[4]。為進(jìn)一步降低金屬鎳的含量，NCF 5015D、NCF 3015、NCF 440等材料牌號(hào)被相繼開發(fā)，與之相對(duì)應(yīng)的熱處理制度也不斷被探索[10-13]。本研究以含鎳量?jī)H為30%左右的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)用節(jié)鎳型高溫合金為研究對(duì)象，通過研究固溶、時(shí)效熱處理溫度和時(shí)間對(duì)其力學(xué)性能的影響，以期對(duì)未來節(jié)鎳型高溫合金的固溶時(shí)效熱處理制度提供理論依據(jù)，促進(jìn)該類合金在內(nèi)燃機(jī)工業(yè)中的應(yīng)用。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)原材料為某公司提供的節(jié)鎳型高溫合金熱軋棒材，直徑φ9 mm，化學(xué)成分如表1所示。樣品在900～1100 ℃進(jìn)行固溶處理，到溫裝爐，保溫時(shí)間為10～60 min，樣品取出后馬上進(jìn)行水冷。時(shí)效處理溫度為700～760 ℃，時(shí)效時(shí)間為4 h，樣品取出后自然冷卻。每種熱處理類型分別制備3個(gè)試樣，測(cè)試結(jié)果取其平均值。按照GB/T 13298—1991《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》，選用 5 g 氯化銅+100 mL 鹽酸+100 mL 乙醇作為侵蝕劑，分別對(duì)熱軋?jiān)牧弦约盁崽幚碓嚇釉诠鈱W(xué)顯微鏡下進(jìn)行金相觀察。按 GB/T 228—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分: 室溫試驗(yàn)方法》及GB/T 231.1—2009《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn)》進(jìn)行相關(guān)力學(xué)性能測(cè)試。

表1 節(jié)鎳型高溫合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

試驗(yàn)中使用的儀器設(shè)備主要有CMT4105微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)、HBRVU-187.5布洛維光學(xué)硬度計(jì)、ZBC-2302-1擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)、RDJ50機(jī)械蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)、OLYMPUS-GX51光學(xué)顯微鏡等。

2 結(jié)果與討論

2.1 原始熱軋態(tài)樣品顯微組織分析

圖1為原始熱軋態(tài)樣品的橫向顯微組織?？梢郧逦吹?，原始軋制態(tài)試樣的晶粒細(xì)小、均勻，主要組成為奧氏體孿晶，晶粒度12級(jí)。試樣的非金屬夾雜物評(píng)級(jí)結(jié)果見表2，僅有D類夾雜，該節(jié)鎳型氣閥高溫合金的鋼質(zhì)純凈，冶金質(zhì)量較好。

圖1 原始熱軋態(tài)高溫合金的橫向顯微組織(a)及夾雜物形貌(b)Fig.1 Original transversal microstructure(a) and morphology of inclusion(b) of the as-hot-rolled superalloy

2.2 固溶處理制度的影響

固溶處理是溶解基體內(nèi)碳化物等得到均勻過飽和的固溶體，便于后續(xù)時(shí)效處理重新析出晶粒細(xì)小、分布均勻的碳化物和強(qiáng)化相的重要手段。氣閥用高溫合金通過固溶處理，可以獲得適宜的晶粒度，以保證該合金在高溫惡劣工況下的高溫性能[14]。同時(shí)，固溶處理還可以消除熱軋線棒材熱加工所產(chǎn)生的應(yīng)力，使合金發(fā)生再結(jié)晶。其中，熱處理溫度和保溫時(shí)間是固溶處理應(yīng)當(dāng)控制的兩個(gè)主要參數(shù)[15]。

試驗(yàn)研究了保溫溫度900～1100 ℃、保溫時(shí)間10～60 min 條件下該氣閥高溫合金的晶粒長(zhǎng)大情況。如圖2(a)所示，當(dāng)溫度低于1000 ℃時(shí)，同一溫度下，保溫時(shí)間的延長(zhǎng)使晶粒緩慢長(zhǎng)大，結(jié)合其顯微組織表征(見圖3)，該過程中碳化物部分溶解，沉淀強(qiáng)化作用減弱，固溶強(qiáng)化作用有所提高；當(dāng)固溶溫度進(jìn)一步升高到1050 ℃時(shí)，奧氏體組織隨固溶溫度的升高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)迅速粗化；當(dāng)溫度達(dá)到1100 ℃時(shí)，奧氏體晶粒急劇粗化，甚至有混晶組織出現(xiàn)。氣閥高溫合金奧氏體晶粒在固溶處理過程中，奧氏體晶界的界面能驅(qū)動(dòng)晶界遷移，從而導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大，此時(shí)析出相基本溶解，對(duì)晶界遷移的阻礙和釘扎作用降低，溫度進(jìn)一步升高時(shí)這種削弱作用愈加強(qiáng)烈，從而誘使晶粒異常粗化，最終出現(xiàn)混晶組織[16]。

表2 原始熱軋態(tài)高溫合金的非金屬夾雜物評(píng)級(jí)結(jié)果

圖3 試驗(yàn)合金不同溫度下固溶30 min后的顯微組織Fig.3 Microstructure of the tested alloy solution treated at different temperatures for 30 min(a) 900 ℃; (b) 950 ℃; (c) 1000 ℃; (d) 1050 ℃; (e) 1100 ℃

圖2 試驗(yàn)合金的晶粒度(a)及硬度(b)隨固溶溫度及保溫時(shí)間的變化情況Fig.2 Variation of grain size(a) and hardness(b) of the tested alloy with solution treatment temperature and holding time

節(jié)鎳型氣閥高溫合金硬度隨固溶溫度和保溫時(shí)間的變化情況如圖2(b)所示?？梢钥闯?，不同固溶溫度下，保溫時(shí)間改變對(duì)硬度的影響與晶粒度變化情況類似，即在較低溫度下，保溫時(shí)間的延長(zhǎng)使待測(cè)樣品的硬度緩慢降低，此時(shí)碳氮化物溶解速度較慢，硬度下降幅度較小；當(dāng)固溶溫度升高到1050 ℃，晶粒長(zhǎng)大明顯，且隨保溫時(shí)間延長(zhǎng)晶粒進(jìn)一步長(zhǎng)大，導(dǎo)致硬度進(jìn)一步下降。相比較而言，固溶溫度的升高是導(dǎo)致硬度下降的主要因素。熱軋態(tài)試樣硬度約為373 HBW，經(jīng)固溶處理后，硬度降至200 HBW以下，固溶處理能有效消除熱軋產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，使未溶碳氮化物充分融入奧氏體基體，有利于后續(xù)時(shí)效處理時(shí)強(qiáng)化相的彌散析出[17]。

根據(jù)我國汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 469—2016《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣門技術(shù)條件》、美國汽車工程師協(xié)會(huì)SAE J775-2018Surfacevehicleinformationreport以及部分企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)氣門高溫合金采購技術(shù)條件，對(duì)于長(zhǎng)期高溫使用的合金，要求有較好的高溫持久和蠕變性能，應(yīng)選擇較高的固溶溫度以獲得較大的晶粒尺寸，節(jié)鎳型氣閥高溫合金晶粒度調(diào)質(zhì)為3～5級(jí)較為合適。鑒于此，固溶溫度選擇為1000～1050 ℃，保溫時(shí)間選擇為30 min，以保證主要強(qiáng)化相必要的析出條件且具有適宜的晶粒度。

2.3 時(shí)效處理制度的影響

時(shí)效硬化是氣閥用高溫合金的主要強(qiáng)化機(jī)制。在固溶處理后進(jìn)行時(shí)效處理，可以使強(qiáng)化相以適當(dāng)?shù)臄?shù)量和分布析出，在該過程中，時(shí)效溫度和時(shí)效時(shí)間的選擇對(duì)合金的性能以及組織有著重要的影響[10]。根據(jù)固溶處理后的晶粒度情況，選取1000、1020、1050 ℃三個(gè)溫度以及30 min保溫時(shí)間作為固溶熱處理?xiàng)l件。首先研究時(shí)效溫度對(duì)力學(xué)性能的影響。時(shí)效處理制度和試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。氣閥用高溫合金強(qiáng)度主要是通過析出Ni3(Al, Ti, Nb)硬化相而提高[18-19]。1000 ℃固溶處理時(shí)，晶粒度為6級(jí)，隨時(shí)效溫度升高，晶粒度不發(fā)生顯著變化，但抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都隨時(shí)效溫度的升高而增加(如表3所示)，這說明較高的時(shí)效溫度可使該節(jié)鎳型氣閥用高溫合金通過沉淀硬化以提升強(qiáng)度。同時(shí)，高速往復(fù)和氣流沖刷下的惡劣工況環(huán)境，也要求節(jié)鎳型氣閥高溫合金還應(yīng)具有良好的韌性以保持良好的工作狀態(tài)。時(shí)效過程中，二次碳化物從奧氏體中析出，均勻分布于晶內(nèi)和晶界，并伴有過飽和固溶體的再結(jié)晶。最終的微觀結(jié)構(gòu)和性能取決于這兩個(gè)因素的共同作用[16,20]。隨著時(shí)效溫度升高，伸長(zhǎng)率和斷面收縮率有所下降，碳氮化物析出增多，顆粒尺寸增大，導(dǎo)致韌性下降。節(jié)鎳型氣閥高溫合金要具有良好的力學(xué)性能，就必須在強(qiáng)度和韌性之間找到平衡點(diǎn)。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，將720 ℃作為時(shí)效溫度、保溫4 h是比較適宜的。

表3 試驗(yàn)合金熱處理工藝及試驗(yàn)結(jié)果

如圖4所示，當(dāng)固溶溫度從1000 ℃逐漸升高到1050 ℃時(shí)，節(jié)鎳型氣閥高溫合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度有一定程度的降低，但降低幅度不明顯，說明在這一溫度區(qū)間范圍內(nèi)，其靜態(tài)強(qiáng)度特性對(duì)固溶溫度不敏感。而從韌塑性指標(biāo)來看，隨固溶溫度升高，伸長(zhǎng)率和斷面收縮率增加，這主要是由奧氏體晶粒長(zhǎng)大引起的。由于節(jié)鎳型氣閥高溫合金工作在溫度高、腐蝕性強(qiáng)、氣流快、磨損大的復(fù)雜環(huán)境中，因此要求其具有良好的強(qiáng)度、韌性和延展性，從而增加氣閥壽命，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)可靠。據(jù)相關(guān)汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，節(jié)鎳型氣閥高溫合金在固溶時(shí)效后應(yīng)具有較高的強(qiáng)度(抗拉強(qiáng)度≥1000 MPa)和韌性(伸長(zhǎng)率≥30%、斷面收縮率≥50%)等綜合性能。為獲得匹配度良好的強(qiáng)度和韌性，應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境選擇合適的熱處理制度。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，固溶溫度最好≥1020 ℃，而時(shí)效溫度≤720 ℃為宜。

圖4 固溶溫度對(duì)試驗(yàn)合金力學(xué)性能的影響(720 ℃時(shí)效4 h)Fig.4 Effect of solution treatment temperature on mechanical properties of the tested alloy aged at 720 ℃ for 4 h

2.4 熱處理調(diào)質(zhì)后的高溫性能

采取1020 ℃固溶處理30 min、水冷，然后在720 ℃時(shí)效處理4 h、空冷的固溶時(shí)效熱處理工藝。在此條件下，該合金的室溫抗拉強(qiáng)度為1105 MPa，屈服強(qiáng)度為680 MPa，伸長(zhǎng)率為36%，斷面收縮率為59%，室溫沖擊吸收能量(KV2)可達(dá)101 J，彈性模量為200 GPa，表現(xiàn)出良好的強(qiáng)韌匹配性能，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。而高溫持久強(qiáng)度試驗(yàn)可幫助判定該合金在模擬高溫高壓工況下的力學(xué)性能，是高溫構(gòu)件設(shè)計(jì)選材的重要依據(jù)[21]。在溫度為750 ℃的高溫下，加載載荷150 MPa，經(jīng)固溶時(shí)效后合金的持久時(shí)間可達(dá)68 h以上，加載拉斷后其伸長(zhǎng)率和斷面收縮率分別為34%和55%，表明該固溶時(shí)效工藝可得到綜合性能優(yōu)良的節(jié)鎳型氣閥高溫合金，固溶時(shí)效后的合金在溫度、應(yīng)力共同作用下，在規(guī)定的持續(xù)時(shí)間內(nèi)具有良好的強(qiáng)度和韌塑性，有利于其低周疲勞性能和抗裂紋發(fā)展能力。

3 結(jié)論

1) 在固溶溫度900～1100 ℃、保溫時(shí)間10～60 min 條件下，該節(jié)鎳型氣閥高溫合金的晶粒隨保溫溫度的提高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸長(zhǎng)大，升溫過程中碳化物部分溶解，沉淀強(qiáng)化作用減弱，固溶強(qiáng)化有所提高。固溶處理能有效消除熱軋加工產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，使未溶碳氮化物充分融入奧氏體基體，有利于后續(xù)時(shí)效處理時(shí)強(qiáng)化相的彌散析出。

2) 在時(shí)效溫度700～760 ℃條件下，該合金的強(qiáng)度隨時(shí)效溫度升高而增加，該節(jié)鎳型氣閥用高溫合金通過沉淀硬化以提升強(qiáng)度。但也注意到，韌塑性是隨溫度升高而逐漸降低的，為滿足合金性能，需在二者之間找到平衡匹配。

3) 在固溶時(shí)效熱處理工藝為1020 ℃×30 min(水冷)+720 ℃×4 h(空冷)時(shí)，合金擁有良好的強(qiáng)度、韌性、延展性和適宜的晶粒度。經(jīng)調(diào)質(zhì)后，該節(jié)鎳型高溫合金擁有優(yōu)良的室溫和高溫力學(xué)性能，有利于促進(jìn)該類合金在內(nèi)燃機(jī)工業(yè)中的低成本化應(yīng)用。