摘 要:Inconel７１８合金螺栓为航空发动机中常用的高强度螺栓,通常采用滚压螺纹成型工艺. 螺栓及螺纹的流线直接影响螺栓的质量和服役寿命,所以流线检测尤为重要.通过试验,发现将 Inconel７１８合金螺栓 进 行 二 次 固 溶 ＋ 时 效 处 理 可 使 其 晶 粒 长 大 和 析 出 δ相 (Ni３Nb),然 后 在 HNO３＋HF的溶液中浸蚀１h,可以清晰显示出Inconel７１８合金螺栓和螺纹的流线.

关键词:Inconel７１８合金;螺栓;滚压螺纹;流线检测

中图分类号:TG１１５．９ 文献标志码:A 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１９)０９Ｇ０６２６Ｇ０４

Inconel７１８合金是含铌、钼元素的沉淀硬化型镍 铬铁高温合金,其具有优良的力学性能、耐腐蚀性能 以及焊 接 性 能 等 优 点,广 泛 应 用 于 航 空 航 天 等 领 域[１Ｇ３].用Inconel７１８合金制造的螺栓是航空发动 机、压力 容 器 以 及 核 岛 产 品 中 常 用 的 高 强 度 紧 固 件[４Ｇ６].加工螺纹的工艺主要有金属切削法(如车削、 铣削、磨削等)和塑性成型法(如滚压、挤压等),而滚 压螺纹为Inconel７１８合金锻造螺栓在成型过程中的 关键加工技术之一[７Ｇ８].螺纹滚压是用成型滚压模具 通过塑性变形而获得螺纹的加工方法,此方法使材料 组织发生转移,但并未破坏金属的纤维结构,同时细 化了材料晶粒,提高了螺纹的硬度和强度.

在航空发动机领域中,对螺栓的可靠性及寿命提 出了更高要求,其中检验螺栓合格与否的方法之一就 是检测螺栓及螺纹的流线.流线是金属在成形过程 中杂质、化合物、偏析、晶界等沿着主伸长方向形成的 一种组织形貌[９].在工程应用中,锻件的流线分布不 合理,如流线出现切断、涡流、穿流以及流线露头时, 将导致构件的力学性能下降,缩短构件服役寿命;当 锻件的流线分布合理时,可提高锻件的强度和抗疲劳 性能[１０Ｇ１２],所以检测锻件的流线是否正常就尤为重 要.Inconel７１８合金的合金化程度高,有别于其他合 金结构钢,采用传统的流线检测方法不能清晰地显示 其流线.笔者通过试验摸索,找到了一种适合检测 Inconel７１８合金锻造螺栓流线的方法.

１ 试样制备与试验方法

１．１ 试样制备

取同批次Inconel７１８合金螺栓成品９件随机 等分为３组,并编号为 A,B,C组,将螺栓纵向剖开. 螺栓成品的热处理工艺为固溶＋时效(固溶:９５４~ ９８２ ℃保温１h,水冷;时效:７１８ ℃保温８h,炉冷至 ６２１ ℃保温８h,空冷).

１．２ 试验方法

对３组纵向剖开的螺栓试样分别采用以下３种不同的方案进行流线显示:

(１)方案一:采用常见的高温合金低倍组织酸 浸溶液(１５０g硫酸铜 ＋３５ mL 硫酸 ＋５００ mL 盐 酸),将 A 组试样浸于溶液中进行浸蚀,试样的试验 面朝上,浸蚀２０~６０min后用清水冲洗干净,再使 用吹风机吹干.

(２)方案二:先后采用不同体积分数 (３０％ ~ １００％)的 王 水 对 B 组 试 样 进 行 浸 蚀,浸 蚀 ２０~ ６０min后用清水冲洗干净,再使用吹风机吹干.

(３)方案三:针对Inconel７１８合金的特点,其 流线主要是由合金的晶界和δ相(Ni３Nb)构成,所 以使晶粒粗化并增加δ相(Ni３Nb)和基体的反差, 即可使流线更易显示.根据这一理论,将 C 组试样 进行二次固溶＋时效处理(１０５０ ℃保温１h,空冷; ９００ ℃保温１h,空冷),使晶粒长大和δ相析出.热 处理 后 将 C 组 试 样 磨 光,并 用 吹 风 机 吹 干,浸 入 HNO３＋HF溶液中约１h,待抛光面颜色变成暗黑 色取出,重新清洗干净,在抛光布上轻微抛光并去除 表面黑色膜,再次清洗并吹干.

在 Leica DM６０００M 型 光 学 显 微 镜 下 观 察 Inconel７１８合金螺栓及滚压螺纹的流线.

２ 试验结果与讨论

２．１ 试验结果

图１ A组试样流线形貌(方案一) 所获得的螺栓纵剖面试样经观察发 现只有螺栓头部有流线显示,如图１a)所示,而螺纹部位并没有流线显示,如图１b)所示;采用方案二所 获得的螺栓及其螺纹流线的纵剖面试样经观察只发 现一片坑坑洼洼的过腐蚀形貌,没有任何组织显示, 如图２所示;采用方案三所获得的螺栓及其螺纹流 线的纵剖面试样经观察发现效果良好,螺栓头部及 螺纹的流线细节都能清晰显示,且都沿着螺栓轮廓 分布,均为正常的流线,如图３所示.

２．２ 重复试验

为了验证 方 案 三 是 可 行 的 方 法,将 B 组 试 样 按照方案 三 的 方 法 进 行 重 复 性 试 验,结 果 显 示 B 组试样的 流 线 依 然 能 清 晰 显 示,如 图 ４ 所 示.在 随后螺栓及 滚 压 螺 纹 流 线 的 多 次 检 测 过 程 中,都 证明了方案三具有可操作性强、稳定性好、重复性 高等优点.

２．３ 讨论

Inconel７１８ 合 金 晶 粒 粗 化 温 度 为 １０１０~ １０６５℃,保温１h后水冷,晶界和晶粒内均不存在δ 相.δ相属于正交结构,析出温度为７００~１０００℃. 合金在７００~８００℃短时时效后,δ相在晶界上呈颗粒 状析出,随着时效温度的升高和时间的延长,δ相呈 片状大量析出[１３].根据这一理论,对Inconel７１８合 金锻造螺栓进行二次固溶＋时效处理.经过二次固 溶＋时效处理之后的晶粒与处理之前相比明显变大 了,热处 理 之 前 晶 粒 度 级 别 按 ASTM E１１２－２０１３ Standard Test Methodsfor Determining Average GrainSize评定为１０级,热处理之后晶粒度级别评定 为６级,如图５所示.与二次固溶＋时效处理前相比, 二次固溶＋时效处理之后螺栓组织中析出了大量的δ 相,如图６所示,从图６b)也可以看出,δ相具有一定的 方向性,即微观上验证了方案三具有一定的科学性.

３ 结论

Inconel７１８合金螺栓经二次固溶＋时效处理 后,晶粒长大且析出了大量的δ相,流线处的δ相具 有一定的方向性.因此,将Inconel７１８合金螺栓进 行二次固溶＋时效处理使晶粒长大和δ相析出,然后再在 HNO３＋HF溶液中浸蚀１h后可得到清晰 的螺纹流线,该检测方法为Inconel７１８合金螺栓滚 压螺纹流线的理想检测方法.

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文章来源——材料与测试网