摘 要:Inconel７１８合金螺栓為航空發(fā)動機中常用的高強度螺栓,通常采用滾壓螺紋成型工藝. 螺栓及螺紋的流線直接影響螺栓的質(zhì)量和服役壽命,所以流線檢測尤為重要.通過試驗,發(fā)現(xiàn)將 Inconel７１８合金螺栓 進 行 二 次 固 溶 ＋ 時 效 處 理 可 使 其 晶 粒 長 大 和 析 出 δ相 (Ni３Nb),然 后 在 HNO３＋HF的溶液中浸蝕１h,可以清晰顯示出Inconel７１８合金螺栓和螺紋的流線.

關(guān)鍵詞:Inconel７１８合金;螺栓;滾壓螺紋;流線檢測

中圖分類號:TG１１５．９ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１９)０９Ｇ０６２６Ｇ０４

Inconel７１８合金是含鈮、鉬元素的沉淀硬化型鎳 鉻鐵高溫合金,其具有優(yōu)良的力學(xué)性能、耐腐蝕性能 以及焊 接 性 能 等 優(yōu) 點,廣 泛 應(yīng) 用 于 航 空 航 天 等 領(lǐng) 域[１Ｇ３].用Inconel７１８合金制造的螺栓是航空發(fā)動 機、壓力 容 器 以 及 核 島 產(chǎn) 品 中 常 用 的 高 強 度 緊 固 件[４Ｇ６].加工螺紋的工藝主要有金屬切削法(如車削、 銑削、磨削等)和塑性成型法(如滾壓、擠壓等),而滾 壓螺紋為Inconel７１８合金鍛造螺栓在成型過程中的 關(guān)鍵加工技術(shù)之一[７Ｇ８].螺紋滾壓是用成型滾壓模具 通過塑性變形而獲得螺紋的加工方法,此方法使材料 組織發(fā)生轉(zhuǎn)移,但并未破壞金屬的纖維結(jié)構(gòu),同時細(xì) 化了材料晶粒,提高了螺紋的硬度和強度.

在航空發(fā)動機領(lǐng)域中,對螺栓的可靠性及壽命提 出了更高要求,其中檢驗螺栓合格與否的方法之一就 是檢測螺栓及螺紋的流線.流線是金屬在成形過程 中雜質(zhì)、化合物、偏析、晶界等沿著主伸長方向形成的 一種組織形貌[９].在工程應(yīng)用中,鍛件的流線分布不 合理,如流線出現(xiàn)切斷、渦流、穿流以及流線露頭時, 將導(dǎo)致構(gòu)件的力學(xué)性能下降,縮短構(gòu)件服役壽命;當(dāng) 鍛件的流線分布合理時,可提高鍛件的強度和抗疲勞 性能[１０Ｇ１２],所以檢測鍛件的流線是否正常就尤為重 要.Inconel７１８合金的合金化程度高,有別于其他合 金結(jié)構(gòu)鋼,采用傳統(tǒng)的流線檢測方法不能清晰地顯示 其流線.筆者通過試驗摸索,找到了一種適合檢測 Inconel７１８合金鍛造螺栓流線的方法.

１ 試樣制備與試驗方法

１．１ 試樣制備

取同批次Inconel７１８合金螺栓成品９件隨機 等分為３組,并編號為 A,B,C組,將螺栓縱向剖開. 螺栓成品的熱處理工藝為固溶＋時效(固溶:９５４~ ９８２ ℃保溫１h,水冷;時效:７１８ ℃保溫８h,爐冷至 ６２１ ℃保溫８h,空冷).

１．２ 試驗方法

對３組縱向剖開的螺栓試樣分別采用以下３種不同的方案進行流線顯示:

(１)方案一:采用常見的高溫合金低倍組織酸 浸溶液(１５０g硫酸銅 ＋３５ mL 硫酸 ＋５００ mL 鹽 酸),將 A 組試樣浸于溶液中進行浸蝕,試樣的試驗 面朝上,浸蝕２０~６０min后用清水沖洗干凈,再使 用吹風(fēng)機吹干.

(２)方案二:先后采用不同體積分?jǐn)?shù) (３０％ ~ １００％)的 王 水 對 B 組 試 樣 進 行 浸 蝕,浸 蝕 ２０~ ６０min后用清水沖洗干凈,再使用吹風(fēng)機吹干.

(３)方案三:針對Inconel７１８合金的特點,其 流線主要是由合金的晶界和δ相(Ni３Nb)構(gòu)成,所 以使晶粒粗化并增加δ相(Ni３Nb)和基體的反差, 即可使流線更易顯示.根據(jù)這一理論,將 C 組試樣 進行二次固溶＋時效處理(１０５０ ℃保溫１h,空冷; ９００ ℃保溫１h,空冷),使晶粒長大和δ相析出.熱 處理 后 將 C 組 試 樣 磨 光,并 用 吹 風(fēng) 機 吹 干,浸 入 HNO３＋HF溶液中約１h,待拋光面顏色變成暗黑 色取出,重新清洗干凈,在拋光布上輕微拋光并去除 表面黑色膜,再次清洗并吹干.

在 Leica DM６０００M 型 光 學(xué) 顯 微 鏡 下 觀 察 Inconel７１８合金螺栓及滾壓螺紋的流線.

２ 試驗結(jié)果與討論

２．１ 試驗結(jié)果

圖１ A組試樣流線形貌(方案一) 所獲得的螺栓縱剖面試樣經(jīng)觀察發(fā) 現(xiàn)只有螺栓頭部有流線顯示,如圖１a)所示,而螺紋部位并沒有流線顯示,如圖１b)所示;采用方案二所 獲得的螺栓及其螺紋流線的縱剖面試樣經(jīng)觀察只發(fā) 現(xiàn)一片坑坑洼洼的過腐蝕形貌,沒有任何組織顯示, 如圖２所示;采用方案三所獲得的螺栓及其螺紋流 線的縱剖面試樣經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)效果良好,螺栓頭部及 螺紋的流線細(xì)節(jié)都能清晰顯示,且都沿著螺栓輪廓 分布,均為正常的流線,如圖３所示.

２．２ 重復(fù)試驗

為了驗證 方 案 三 是 可 行 的 方 法,將 B 組 試 樣 按照方案 三 的 方 法 進 行 重 復(fù) 性 試 驗,結(jié) 果 顯 示 B 組試樣的 流 線 依 然 能 清 晰 顯 示,如 圖 ４ 所 示.在 隨后螺栓及 滾 壓 螺 紋 流 線 的 多 次 檢 測 過 程 中,都 證明了方案三具有可操作性強、穩(wěn)定性好、重復(fù)性 高等優(yōu)點.

２．３ 討論

Inconel７１８ 合 金 晶 粒 粗 化 溫 度 為 １０１０~ １０６５℃,保溫１h后水冷,晶界和晶粒內(nèi)均不存在δ 相.δ相屬于正交結(jié)構(gòu),析出溫度為７００~１０００℃. 合金在７００~８００℃短時時效后,δ相在晶界上呈顆粒 狀析出,隨著時效溫度的升高和時間的延長,δ相呈 片狀大量析出[１３].根據(jù)這一理論,對Inconel７１８合 金鍛造螺栓進行二次固溶＋時效處理.經(jīng)過二次固 溶＋時效處理之后的晶粒與處理之前相比明顯變大 了,熱處 理 之 前 晶 粒 度 級 別 按 ASTM E１１２－２０１３ Standard Test Methodsfor Determining Average GrainSize評定為１０級,熱處理之后晶粒度級別評定 為６級,如圖５所示.與二次固溶＋時效處理前相比, 二次固溶＋時效處理之后螺栓組織中析出了大量的δ 相,如圖６所示,從圖６b)也可以看出,δ相具有一定的 方向性,即微觀上驗證了方案三具有一定的科學(xué)性.

３ 結(jié)論

Inconel７１８合金螺栓經(jīng)二次固溶＋時效處理 后,晶粒長大且析出了大量的δ相,流線處的δ相具 有一定的方向性.因此,將Inconel７１８合金螺栓進 行二次固溶＋時效處理使晶粒長大和δ相析出,然后再在 HNO３＋HF溶液中浸蝕１h后可得到清晰 的螺紋流線,該檢測方法為Inconel７１８合金螺栓滾 壓螺紋流線的理想檢測方法.

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文章來源——材料與測試網(wǎng)