白云瑞, 付 銳, 李祚軍, 李福林, 孟令超, 畢中南

（1.中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院, 成都 610500；2.中國(guó)鋼研北京鋼研高納科技股份有限公司, 北京 100081）

GH4096 合金是基于粉末冶金FGH4096 合金的成分，采用我國(guó)原始創(chuàng)新的定向凝固鑄錠變形工藝研發(fā)的先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)用盤(pán)件合金[1-4]，主要性能與粉末冶金FGH96 合金相當(dāng)，最高使用溫度可達(dá)到750 ℃。由于采用了新型定向凝固鑄錠變形工藝，從根本上避免了大尺寸夾雜物帶來(lái)的使用風(fēng)險(xiǎn)，且生產(chǎn)成本降低40%左右，具有良好的應(yīng)用前景。

為了防止GH4096 合金固溶熱處理后冷卻過(guò)程中析出的γ′相粗化，降低強(qiáng)度水平，固溶處理后通常采用較快的速率冷卻，目前常用的冷卻方式是油淬冷卻。然而油淬冷卻的GH4096 合金鍛件時(shí)效處理后在制備薄壁類零件時(shí)容易出現(xiàn)冷加工變形問(wèn)題，導(dǎo)致零件尺寸公差難以保證。鍛件中存在較大的殘余應(yīng)力是造成冷加工變形的重要因素，因此，只有鍛件的內(nèi)部殘余應(yīng)力降低到一定水平，才能從根本上解決零件加工變形問(wèn)題[5-7]。

殘余應(yīng)力本質(zhì)上是殘留在材料內(nèi)部的晶格畸變[8]，研究表明，影響高溫合金鍛件中殘余應(yīng)力的最主要工序是固溶處理后的快速冷卻過(guò)程，淬火應(yīng)力形成的本質(zhì)原因是鍛件不同區(qū)域之間的體積差異，這既包括因溫度不同引起的熱膨脹差，也包括相變引起的體積變化[9]。在體積差異形成的應(yīng)力作用下，合金在較高溫度下以黏塑性方式變形，而在較低溫度下表現(xiàn)出彈塑性變形行為。鍛件內(nèi)部不同步且不均勻的塑性變形會(huì)在其完全冷卻至室溫后形成殘余應(yīng)力。

由于不同冷卻介質(zhì)與高溫合金鍛件表面之間有不同的換熱系數(shù)，會(huì)影響固溶處理后鍛件冷卻過(guò)程的溫度梯度和冷卻速率，從而決定鍛件內(nèi)部殘余應(yīng)力的大小和析出相的尺寸與分布。張家峰等[10]研究FGH96 合金空冷、風(fēng)冷和油冷過(guò)程的換熱系數(shù)，空冷和風(fēng)冷時(shí)表面溫度越高換熱系數(shù)越大，空冷的換熱系數(shù)最大為160 W·m-2·K-1，風(fēng)冷狀態(tài)下的換熱系數(shù)與風(fēng)速有關(guān)，風(fēng)速越大換熱系數(shù)越大，而油冷時(shí)由于表面溫度過(guò)高時(shí)金屬表面會(huì)形成一層氣膜降低換熱系數(shù)，因此當(dāng)金屬表面溫度為600 ℃左右時(shí)換熱系數(shù)最大達(dá)到1600 W·m-2·K-1。吳劍濤等[11]研究540 ℃鹽浴冷卻時(shí)FGH95 合金的換熱系數(shù)，由于熔融鹽的沸點(diǎn)較高，在熱處理過(guò)程中熔鹽與金屬之間不會(huì)形成氣膜，熱處理金屬的表面溫度越高換熱系數(shù)越大，最大可達(dá)500 W·m-2·K-1左右。

本工作研究了空冷、風(fēng)冷、油冷和鹽浴冷卻四種固溶冷卻方式對(duì)GH4096 合金環(huán)件主要力學(xué)性能和殘余應(yīng)力的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

GH4096 合金的化學(xué)成分見(jiàn)表1。采用自主創(chuàng)新的電渣重熔連續(xù)定向凝固+3D 整體鍛造制坯+等溫模鍛成形+機(jī)加工制備實(shí)驗(yàn)用環(huán)形鍛件，尺寸為?630 mm/?500 mm×40 mm，環(huán)件截面圖見(jiàn)圖1。環(huán)件固溶溫度為1080 ℃，冷卻方式分別為空冷，風(fēng)冷，油冷和鹽浴冷卻，其中風(fēng)冷采用轉(zhuǎn)速為1600 r/min的風(fēng)機(jī)吹風(fēng)，風(fēng)速約10 m/s，油冷采用H3 號(hào)淬火油，油溫40 ℃左右，鹽浴采用540 ℃的BaCl2熔鹽，時(shí)效制度為760 ℃×4 h 空冷。熱處理后在環(huán)件截面的中心位置和外側(cè)邊緣切取金相試樣，試樣經(jīng)研磨、拋光、腐蝕后采用圖像分析儀檢測(cè)晶粒組織，用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察二次、三次γ′相的形貌，用圖像分析軟件統(tǒng)計(jì)二次、三次γ′相的平均尺寸，在環(huán)件截面中心位置切取試樣測(cè)試?yán)旌腿渥冃阅堋?/p>

表1 GH4096 合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 1 Chemical composition of GH4096 alloy（mass fraction/%）

圖1 實(shí)驗(yàn)用環(huán)件截面圖Fig. 1 Section of ring used in experiment

實(shí)驗(yàn)用環(huán)件采用輪廓法測(cè)試殘余應(yīng)力。輪廓法是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種通過(guò)破壞法來(lái)測(cè)量試件整個(gè)截面上殘余應(yīng)力的方法[12-13]。該方法的原理是構(gòu)件沿需要研究和評(píng)估應(yīng)力的平面完整切開(kāi)成為兩半，切割面上的殘余應(yīng)力全部釋放，由于應(yīng)力釋放，切割面輪廓發(fā)生變形，假設(shè)切割面的變形輪廓是由殘余應(yīng)力彈性釋放造成的，且切割過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生額外的附加應(yīng)力，如果施加外力將變形后的切割曲面恢復(fù)到切割前的平面狀態(tài)，所得到的應(yīng)力狀態(tài)就等于切割前該平面上的原始?xì)堄鄳?yīng)力，因此可以利用切割面上的變形輪廓得到原始內(nèi)部殘余應(yīng)力分布。該方法對(duì)于軸對(duì)稱的盤(pán)環(huán)形鍛件尤為適用。

本研究中，測(cè)試對(duì)象為GH4096 合金環(huán)形件，將試件在約束狀態(tài)下采用慢走絲線切割方法沿環(huán)件對(duì)稱面將其剖開(kāi)。切割絲為直徑0.2 mm 的鉬絲，為保證線切割時(shí)不引入附加應(yīng)力，切割速率設(shè)定為0.2 mm/min。環(huán)件切割成兩半后，采用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量切割面的輪廓。以切割后試件的尺寸建立有限元模型，將切割面輪廓作為有限元的邊界條件，采用Deform 軟件計(jì)算得到切割面的殘余應(yīng)力分布。

2 結(jié)果與分析

2.1 微觀組織

圖2 為不同冷卻方式試件中心位置的晶粒組織，各試樣的晶粒均為等軸晶，晶粒尺寸約12 μm，晶界上分布著顆粒狀的一次γ′相，尺寸約3 μm，GH4096 合金采用亞固溶熱處理工藝，由一次γ′相控制晶粒度，因此，固溶熱處理后的冷卻方式對(duì)晶粒尺寸沒(méi)有影響。

GH4096 合金析出相有一次γ′相，二次γ′相，三次γ′相及碳化物、硼化物等相，固溶冷卻方式會(huì)影響GH4096 合金二次和三次γ′相的數(shù)量、尺寸和形貌。圖3 為不同固溶冷卻方式GH4096 合金環(huán)件中心位置和外側(cè)邊緣位置的二次、三次γ′相的尺寸和形貌，其中大顆粒的析出相為二次γ′相，小顆粒的析出相為三次γ′相。試件在冷卻過(guò)程中隨著溫度的降低，二次γ′相開(kāi)始形核并長(zhǎng)大，冷卻速率越大，二次γ′相形核的過(guò)冷度越大，形核數(shù)量越多，尺寸越小。三次γ′相主要在時(shí)效過(guò)程中形核并長(zhǎng)大。從圖2 中可以看出風(fēng)冷試樣中心和邊緣的二次γ′相平均尺寸差別較小，心部約為100 nm，邊緣為90 nm，油冷和鹽浴冷卻試樣中心的二次γ′相尺寸相當(dāng)，約70 nm，鹽浴冷卻試件邊緣的二次γ′相略小，約50 nm，油冷表面的二次γ′相約為70 nm，三種冷卻方式的三次γ′相的尺寸相近，約為10 nm。空冷環(huán)件中心位置的二次γ′相有兩種，一是在較高溫度下形核并逐漸長(zhǎng)大，尺寸約200 nm，另一種在較低溫度下形核并長(zhǎng)大，平均尺寸約為40 nm，三次γ′相的尺寸較其他冷卻方式試樣略大，試件邊緣位置的二次γ′相的平均尺寸約為110 nm，三次γ′相約10 nm。由于固溶冷卻過(guò)程的冷卻速率對(duì)二次、三次γ′相有明顯的影響，冷卻速率快會(huì)抑制二次、三次γ′相的長(zhǎng)大。根據(jù)不同固溶冷卻方式GH4096合金二次、三次γ′相的尺寸可以得出，風(fēng)冷冷卻速率低于油冷和鹽浴冷卻的冷卻速率，而空冷的環(huán)件冷卻速率更低，導(dǎo)致析出的γ′相尺寸較大。

圖2 不同固溶冷卻方式GH4096 合金試樣的晶粒組織 （a）空冷；（b）風(fēng)冷；（c）油冷；（d）鹽浴Fig. 2 Grain microstructure of GH4096 samples with different cooling method (a) air cooling (AC)； (b) wind cooling (WC)；(c) oil cooling (OC)； (d) salt bath cooling (SC)

圖3 不同固溶冷卻方式和位置γ′相的形貌 （a）空冷；（b）風(fēng)冷；（c）油冷；（d）鹽??；（1）中心；（2）邊緣Fig. 3 The γ′ phase morphologies of GH4096 samples by different solution cooling methods and location （a）air cooling (AC)；（b）wind cooling (WC)； （c）oil cooling (OC)； （d）salt bath cooling (SC)；（1）center ；（2）edge

析出相的尺寸與試件固溶處理后的冷卻速率直接有關(guān)，而冷卻速率由試件表面和冷卻介質(zhì)間的換熱系數(shù)決定。由于GH4096 合金γ′析出相與γ 基體相是共格結(jié)構(gòu)，析出速率非?？?，冷卻速率越快，過(guò)冷度越大，γ′相形核數(shù)量越多，密度越大，尺寸越小。經(jīng)過(guò)計(jì)算，試件表面溫度降到1000 ℃左右時(shí)，空冷的平均熱交換系數(shù)為160 W·m-2·K-1，風(fēng)冷的熱交換系數(shù)約為300 W·m-2·K-1，油冷的熱交換系數(shù)約為400 W·m-2·K-1，鹽浴冷卻的熱交換系數(shù)約為500 W·m-2·K-1，隨著試件表面溫度的降低，油冷的熱交換系數(shù)快速提高，當(dāng)試件表面溫度為600℃左右時(shí)達(dá)到最大值，約1600 W·m-2·K-1，而后又快速降低，空冷和風(fēng)冷的熱交換系數(shù)幾乎呈線性降低至200 ℃以下，而鹽浴處理時(shí)，由于熔鹽的溫度為540 ℃左右，熱交換系數(shù)隨著試件溫度的下降而迅速降低。可見(jiàn)，GH4096 合金高溫區(qū)的冷卻速率對(duì)γ′相的析出影響較大。油冷、風(fēng)冷和鹽浴處理的試件由于表面熱交換系數(shù)較大，整體冷卻速率較快，試樣邊緣和心部的γ′相形貌略有差別，而空冷試樣的邊緣和心部的γ′析出相尺寸和數(shù)量差別較大。

根據(jù) Feng 等[14]研究得到的FGH96 合金冷卻速率和二次γ′相尺寸之間的函數(shù)關(guān)系，計(jì)算得到了不同冷卻方式環(huán)件中心和外側(cè)邊緣的冷卻速率，見(jiàn)圖4。由圖4 可見(jiàn)，試件冷卻速率發(fā)生較大幅度的變化才會(huì)對(duì)二次γ′相的尺寸產(chǎn)生明顯的影響。

圖4 不同冷卻方式實(shí)驗(yàn)件中心和邊緣的冷卻速率Fig. 4 Cooling rates at center and edge of samples by different solution cooling methods

2.2 力學(xué)性能

由于實(shí)驗(yàn)用環(huán)件采用相同的鍛造工藝和固溶加熱溫度，時(shí)效處理制度也相同，因此晶粒度和鍛造過(guò)程形成的一次γ′相、碳化物、硼化物等相的尺寸和分布相當(dāng)，固溶冷卻方式會(huì)引起冷卻速率的差異從而影響二次、三次γ′相尺寸和數(shù)量的差異，進(jìn)而影響GH4096 合金的力學(xué)性能。圖5 列出了不同固溶冷卻方式GH4096 合金試件中心位置的蠕變性能。從圖5 可以看出，蠕變性能與二次γ′相的尺寸有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，試樣固溶冷卻速率越快，二次γ′相尺寸越小，蠕變性能越好。

圖5 不同固溶冷卻方式GH4096 合金環(huán)件700 ℃/690 MPa 條件下的蠕變性能Fig. 5 Creep properties of GH4096 alloy rings by different solution cooling methods at 700 ℃/690 MPa

圖6 列出了不同固溶冷卻方式GH4096 合金試件中心位置400 ℃和650 ℃的拉伸性能，從結(jié)果可以看出，冷卻速率對(duì)拉伸性能的影響較小，隨著冷卻速率的加大，拉伸性能有小幅提高。另外，冷卻速率對(duì)拉伸塑性沒(méi)有明顯的影響，不同冷卻方式400 ℃和650 ℃的伸長(zhǎng)率均超過(guò)15%。

圖6 不同冷卻方式實(shí)驗(yàn)件中心位置試樣的拉伸性能Fig. 6 Tensile properties of GH4096 alloy rings by oil cooling (OC), air cooling (AC), wind cooling (WC) and salt bath cooling(SC)

2.3 殘余應(yīng)力分布

圖7 為采用輪廓法計(jì)算的不同固溶冷卻方式鍛件內(nèi)部殘余應(yīng)力的分布情況， 鹽浴冷卻產(chǎn)生的殘余應(yīng)力量級(jí)最大，冷卻后環(huán)件心部最大殘余拉應(yīng)力是260 MPa，表面最大殘余壓應(yīng)力-430 MPa；油冷工件中形成了±200 MPa 的殘余應(yīng)力；空冷環(huán)件中心位置最大拉應(yīng)力是200 MPa，最大壓應(yīng)力-386 MPa在工件表層；風(fēng)冷環(huán)件表面殘余壓應(yīng)力小于-100 MPa，內(nèi)部拉應(yīng)力小于66 MPa。

圖7 不同固溶冷卻方式環(huán)件的殘余應(yīng)力分布 （a）空冷；（b）風(fēng)冷；（c）油冷；（d）鹽浴Fig. 7 Internal residual stress of rings by different solution cooling methods (a) air cooling (AC)； (b) wind cooling (WC)； (c) oil cooling (OC)；(d) salt bath cooling (SC)

試件固溶冷卻過(guò)程中截面上較大的溫度梯度是造成內(nèi)部殘余應(yīng)力重要因素，試件表面和心部冷卻速率差異越大，內(nèi)部的殘余應(yīng)力越大，空冷、油冷和鹽浴冷卻過(guò)程環(huán)件截面心部和表面冷卻速率差異較大，形成了較大的殘余應(yīng)力，風(fēng)冷適當(dāng)降低了環(huán)件的冷卻速率，提高了冷卻的均勻性，因此環(huán)件內(nèi)部殘余應(yīng)力較低。另外空冷試件的冷卻速率較低，試件心部有足夠時(shí)間析出γ′相，造成表面和心部γ′相的數(shù)量和尺寸差別較大，由于γ′相的析出會(huì)導(dǎo)致體積收縮[5]，同樣會(huì)引起殘余應(yīng)力增加，因此，空冷試件的內(nèi)部殘余應(yīng)力較大。

3 結(jié) 論

（1）GH4096 合金固溶冷卻方式的不同直接影響冷卻速率的均勻性，冷卻速率的不同造成了二次和三次γ′相尺寸和分布的差異，這種差異對(duì)蠕變性能的影響較為明顯，對(duì)拉伸性能影響不大。

（2）GH4096 合金環(huán)件截面上不同位置的冷卻速率差異和γ′相析出引起的體積變化是造成內(nèi)部殘余應(yīng)力的重要因素，試件采用風(fēng)冷對(duì)力學(xué)性能的影響不大，同時(shí)將環(huán)件的內(nèi)部殘余應(yīng)力控制在±100 MPa 以內(nèi)，有利于改善薄壁零件的冷加工變形行為。

（3）GH4096 合金鍛件需要根據(jù)性能要求和零件加工過(guò)程尺寸精度控制的難易程度選擇固溶冷卻方式，由于空冷鍛件邊緣和中心的析出相尺寸相差較大會(huì)導(dǎo)致性能均勻性較差，且拉伸性能和蠕變性能有較大幅度的降低，因此一般不選擇空冷；鹽浴冷卻鍛件的殘余應(yīng)力最大且在性能上與油冷鍛件相當(dāng)，也不選擇；油冷和風(fēng)冷的鍛件拉伸性能相當(dāng)，蠕變性能略有差別，而殘余應(yīng)力差別較大，可綜合考慮零件的蠕變性能要求和加工過(guò)程的尺寸精度控制要求進(jìn)行選擇，對(duì)于尺寸精度控制較為困難的薄壁件，建議選擇風(fēng)冷，而對(duì)于蠕變性能要求較高且零件加工過(guò)程尺寸精度容易控制的剛性件，建議選擇油冷。