吳業(yè)瓊， 雷 勇， 司 艷， 秦 江， 王 軼， 程小紅， 陳新悅， 楊 浩

(1. 成都天翔動力技術研究院， 四川 成都 610093；2. 成都航利實業(yè)(集團)有限公司， 四川 成都 611936)

K403合金是鎳基沉淀硬化型等軸鑄造高溫合金，是基于前蘇聯(lián)ЖС6К-ВИ合金研制出來的，現(xiàn)已應用于制造多種航空發(fā)動機渦輪工作葉片和導向葉片，以及其他高溫環(huán)境使用的零部件。該合金由多種元素進行強化，W、Mo、Co元素主要進行綜合固溶強化，Al、Ti元素主要進行沉淀強化，同時B、Zr和Ce元素進行晶界強化。K403合金中的Cr含量較同類鎳基合金的低，抗氧化和耐腐蝕性能較差，所以，該合金制成的零件若在高溫下長期使用，需要涂覆防護涂層[1-2]。

高壓渦輪葉片在服役過程中承受高溫、復雜應力及燃氣腐蝕等苛刻條件，服役到一定壽命后將不可避免地出現(xiàn)不同類型的損傷，引起材料的組織和性能衰退，影響其使用可靠性，換件處理成本較高。對于在高溫服役過程中因顯微組織不穩(wěn)定而出現(xiàn)的一類損傷，如高溫蠕變損傷，渦輪葉片的性能恢復通常要借助于熱等靜壓(Hot isostatic pressing, HIP)和/或恢復熱處理技術，通過對顯微組織的調(diào)整使材料性能恢復到甚至超過原來的水平，使其能夠繼續(xù)使用。此項恢復技術在國外已廣泛研究，并已應用到實際服役的渦輪葉片上，延長了葉片的使用壽命[3-6]。而在國內(nèi)對這項技術的研究時間卻不長[7-8]，且基本上都在實驗室進行，還未進行工程化應用。

某型發(fā)動機渦輪葉片由K403合金精密鑄造而成，使用一段時間后，葉片組織發(fā)生明顯的退化。本文采用K403合金試棒模擬工作一段時間的葉片，對試棒進行恢復熱處理，研究試棒處理后的組織和性能，對葉片的恢復效果進行驗證。

1 試驗材料與方法

K403合金鑄態(tài)組織由γ固溶體、γ′相(58%～59%)、γ-γ′(2%)共晶、MC碳化物組成，主要強化相γ′相在高溫處理時會溶解，在隨后的冷卻過程中重新析出細小、均勻和規(guī)則的γ′相，所以，K403合金具有采用熱處理恢復其組織的可能。K403合金的化學成分如表1所示，鑄態(tài)試棒的原始尺寸為φ15 mm×70 mm，按HB 5150—1996《金屬高溫拉伸持久試驗方法》中直徑為φ5 mm的試樣尺寸和要求加工成高溫拉伸和高溫持久試樣，按HB 5151—1996《金屬高溫拉伸蠕變試驗方法》中直徑φ5 mm的試樣尺寸和要求加工成高溫蠕變試樣。根據(jù)YJ 0041—1981《K403熔模鑄造渦輪工作葉片驗收技術條件》中的相關要求，高溫拉伸試驗溫度為800 ℃，高溫持久和蠕變條件為800 ℃/510 MPa。

表1 K403合金的化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

對合金試棒在一定溫度和應力下持久試驗一段時間，再隨爐冷卻，即為預先應力時效試驗。本文采用預先應力時效的方法模擬工作一段時間的葉片，用于對試棒恢復后的組織和性能進行驗證，恢復熱處理制度為1250 ℃保溫5 h。以(τi+τii-τ0)/τ0計算恢復后的總持久壽命提高率，式中τ0為合金試棒的持久壽命，τi為試棒預先應力時效時間，τii為預先應力時效試棒恢復熱處理后的持久壽命。

2 試驗結果與討論

2.1 鑄造試棒的組織與性能

由于鑄造試棒不同部位的組織存在差異，分析了K403合金試棒端面和中部的組織，如圖1所示。可見，合金試棒組織中γ′相尺寸較大，形狀不規(guī)則；端面的γ′相尺寸較中部的小，形狀也較中部的規(guī)則。

圖1 鑄態(tài)K403合金試棒不同部位的微觀組織

某型發(fā)動機K403合金高渦葉片表面有一層滲鋁層，為了模擬葉片，持久試樣先按葉片滲鋁工藝進行滲鋁處理后再進行試驗，結果如表2所示。K403合金試棒的高溫拉伸和高溫持久性能都滿足YJ 0041—1981中的要求，如表2和表3所示。

表2 鑄態(tài)K403合金試棒的高溫持久性能(800 ℃/510 MPa)

表3 鑄態(tài)K403合金試棒的高溫拉伸性能(800 ℃)

有研究表明[9]，高溫合金可以采用恢復熱處理進行組織性能恢復的條件是總的蠕變斷裂時間與第3階段蠕變時間的比值大于1.5，而較佳的恢復熱處理時機在高溫合金蠕變曲線上的第2階段中后期。為了研究K403合金在使用溫度附近的蠕變性能，測試了合金在800 ℃/510 MPa條件下的蠕變性能，蠕變曲線如圖2所示。從圖2可以大致得出，蠕變3個階段的時間分別為15、60、80 h，總的蠕變斷裂時間與第3階段蠕變時間的比值約為1.9，所以，K403合金可以采用真空熱處理來恢復其組織與性能，且安全恢復熱處理時間應在75 h之前。

圖2 鑄態(tài)K403合金試棒在800 ℃/510 MPa條件下的蠕變曲線

2.2 預先應力時效試棒的組織與性能

由于持久試樣和蠕變試樣取樣、加工以及試驗加載方式的不同，使得持久和蠕變試驗結果有所差異。由表2可以得出，鑄態(tài)合金試棒的持久壽命約為83.6 h，對應壽命的3/4(約62 h)和7/8(約73 h)分別接近合金蠕變曲線上的第2階段中期和后期，對經(jīng)歷這兩個持久時間的試棒進行恢復熱處理，分析測試其恢復后的組織與性能，定性驗證恢復效果。

K403合金試棒預先應力時效62 h和73 h及其恢復熱處理后的顯微組織如圖3～圖6所示。恢復前試棒的組織粗大，γ′相形狀不規(guī)則；恢復熱處理后，預先應力時效不同時間的試棒γ′相都明顯細化，其形狀也接近立方形貌，組織恢復的較好。另外，碳化物有所分解，無拓撲密排相(TCP)析出。

圖3 K403合金試棒預先應力時效62 h后不同部位的SEM照片

圖4 K403合金試棒預先應力時效62 h再恢復熱處理后不同部位的SEM照片

圖5 K403合金試棒預先應力時效73 h后不同部位的SEM

圖6 K403合金試棒預先應力時效73 h再恢復熱處理后不同部位的SEM照片

對預先應力時效62 h和73 h的K403合金試棒進行高溫拉伸和高溫持久性能測試，分析其剩余強度和壽命，結果如表4所示，可以看出經(jīng)不同時間預先應力時效后的合金試棒抗拉強度和持久壽命仍然滿足YJ 0041—1981中的要求(Rm≥785 MPa，τ≥40 h)。可能由于在組織明顯變化和裂紋形成之前，延長預先時效時間有利于合金的持久性能，從而使預先應力時效73 h的試樣持久斷裂時間更長。

表4 預先應力時效不同時間K403合金試樣的高溫抗拉強度(800 ℃)和高溫持久斷裂時間(800 ℃/510 MPa)

恢復熱處理后的K403合金試棒按葉片的滲鋁工藝進行滲鋁處理，然后再進行高溫拉伸和高溫持久試驗，結果如表5所示。將表2、表3和表5對比可得，預先應力時效試樣恢復熱處理后，其抗拉強度和持久壽命都優(yōu)于原始試棒；伸長率和斷面收縮率分別在7%和10%左右，較原始試棒略微降低。由于經(jīng)恢復熱處理的預先應力時效試棒經(jīng)應力時效和滲鋁處理，這些處理可能增加了試棒的差異性，從而使試驗結果分散性增大。兩個預先應力時效時間試棒恢復熱處理后的平均持久壽命都在100 h左右，最低持久壽命提高率達77%((62.0+86.0-83.6)/83.6)。在組織中未出現(xiàn)空洞或裂紋之前，預先應力時效時間越長，恢復熱處理后試棒的持久壽命提高率越大，如(62.0+101.0-83.6)/83.6=95%，而(73.0+100.3-83.6)/83.6=107%。

表5 預先應力時效不同時間的K403合金試樣恢復熱處理后的高溫拉伸(800 ℃)和高溫持久壽命(800 ℃/510 MPa)

3 結論

1) K403合金采用恢復熱處理(1250 ℃保溫5 h)可有效恢復其組織與性能，且恢復熱處理后組織、高溫拉伸及高溫持久性能均優(yōu)于原始合金試棒。

2) 在一定的應力時效范圍內(nèi)，預先應力時效時間越長，K403合金試棒的高溫持久壽命提高率越高，預先應力時效62 h和73 h后恢復熱處理的試棒平均高溫持久壽命提高率分別為95%和107%，高溫持久壽命都在100 h左右。