劉偉紅，賀 韡，陳素明

(1.中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，陜西 西安 710089; 2.空裝駐西安地區(qū)第一軍事代表室，陜西 西安 710089)

A-100 鋼是美國(guó)Carpenter技術(shù)公司在1992年開發(fā)的一種新型的超高強(qiáng)度鋼，其名義化學(xué)成分為Fe-0.23C-11.73Ni-13.85Co-3.13Cr-1.25Mo，簡(jiǎn)稱A-100鋼。該合金具有突出的綜合性能：高的強(qiáng)度、斷裂韌性、延展性和抗疲勞性能。其抗拉強(qiáng)度可達(dá)1 930 MPa以上，斷裂韌性超過了110 MPa·m-2，同時(shí)它還具有更加優(yōu)良的抗應(yīng)力腐蝕斷裂和抗疲勞斷裂的能力，是航空航天的理想材料。主要用于要求材料具有高強(qiáng)、高韌的零部件的制造上[1-3]。

對(duì)于如何發(fā)掘A-100鋼的力學(xué)性能，達(dá)到強(qiáng)度和斷裂韌性的最佳匹配，國(guó)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。最初，A-100鋼σb=1 965 MPa，KIC= 115 MPa·m-2。后來，Reghavan等人通過優(yōu)化時(shí)效工藝取得了σb>2 000 MPa，KIC=149.3 MPa·m-2。Lee僅改進(jìn)鍛造工藝實(shí)現(xiàn)了σb=2 069 MPa，KIC>121 MPa·m-2。KojiSato通過對(duì)鋼中夾雜物的改性使鋼的性能達(dá)到了σb=1 946 MPa，KIC=182.4 MPa·m-2[4]。

國(guó)內(nèi)對(duì)于提升A-100鋼綜合性能的研究基本都集中在對(duì)鋼中雜質(zhì)元素和微量元素的控制上[5-7]。對(duì)于如何通過優(yōu)化鍛造工藝參數(shù)，借助大壓力的鍛造設(shè)備，獲得8級(jí)以上的細(xì)晶組織進(jìn)而提升A-100鋼的綜合性能，目前還研究較少。

本文通過小試樣鐓粗實(shí)驗(yàn)，研究鍛造工藝參數(shù)和A-100鋼晶粒度之間的關(guān)系，在得到較優(yōu)化的鍛造工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，利用400 MN大型模鍛液壓機(jī)，在國(guó)內(nèi)首次成功生產(chǎn)出了晶粒度滿足8級(jí)要求的大型A-100鋼模鍛件，實(shí)現(xiàn)了A-100鋼細(xì)晶化鍛造技術(shù)的工程化。

1 原材料和實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)材料是A-100高鎳鈷二次硬化型超高強(qiáng)度鋼。實(shí)驗(yàn)采用規(guī)格為Φ20 mm×22 mm的圓柱試樣。試樣的原始組織為晶粒度為7.7級(jí)的等軸晶粒,如圖1所示。

圖1 試樣原始組織

實(shí)驗(yàn)分兩部分進(jìn)行。第一部分：在變形速率為0.1 s-1時(shí)，分別研究變形溫度和變形量對(duì)A-100鋼晶粒度的影響，變形溫度分別為980、1 050、1 100、1 150 ℃，變形量分別為0%、10%、30%和50%。

第二部分：研究變形溫度為1 050 ℃、最后一火次變形量為50%，其余火次變形量為0%時(shí)，加熱火次對(duì)A-100鋼晶粒度的影響。實(shí)驗(yàn)選取的加熱火次為1次和2次。

為使晶粒度容易觀察，最終熱處理只做淬火處理，具體熱處理制度為：預(yù)備熱處理：900 ℃保溫1 h空冷，680 ℃保溫8 h空冷；最終熱處理：885 ℃保溫1h油冷。采用線切割方法將試樣沿軸線剖開，制作成高倍試樣，在徠卡DMLM型金相顯微鏡下進(jìn)行觀察，每個(gè)試樣隨機(jī)選取三個(gè)視場(chǎng)，采用截點(diǎn)法并由專用軟件分析得到晶粒度級(jí)別，晶粒度評(píng)級(jí)方法按照GB/T 6394 (ASTM E112—2010)進(jìn)行，晶粒度檢測(cè)結(jié)果以平均值報(bào)出。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 變形溫度和變形量對(duì)A-100鋼晶粒度和顯微組織的影響

表1為不同變形溫度和變形量下A-100鋼晶粒度級(jí)別。由表1可以看出，在同一溫度下，隨變形量的增大，晶粒度越大；同樣的變形量下，隨變形溫度的增大，晶粒度級(jí)別先增大后減小。在變形溫度為980 ℃，變形量為0和10%時(shí)，晶粒度也可以到達(dá)7.7～7.8級(jí)，這與原材料的晶粒度相當(dāng)，表示在此溫度下，10%以下的小變形量也不會(huì)使晶粒長(zhǎng)大，當(dāng)變形量到30%以上時(shí)，晶粒度較原材料略有提高。在變形溫度為1 050 ℃時(shí)，變形量在10%以下時(shí)，晶粒度級(jí)別也與原材料基本相當(dāng)，30%以上的變形量會(huì)使晶粒度級(jí)別明顯提高到8.3級(jí)以上。在變形溫度為1 100 ℃以上時(shí)，晶粒開始顯著長(zhǎng)大，晶粒度較原材料下降明顯，尤其是10%以下的小變形時(shí)，晶粒度降低到了7級(jí)以下。

表1 不同變形溫度和變形量下的晶粒度

圖2為不同變形溫度和變形量下A-100鋼的顯微組織。由圖2可以看出，在變形溫度為980 ℃時(shí)，不變形的試樣組織形態(tài)基本保持了原材料的顯微組織形態(tài)，但晶粒尺寸比原材料有所增大，50%變形量的試樣部分晶粒呈長(zhǎng)條狀，晶粒尺寸有所減小，為典型的塑性變形組織，表明在此溫度下，還沒有發(fā)生完全的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。在1 050 ℃時(shí)，未變形的試樣晶界較模糊，部分晶粒長(zhǎng)大明顯，50%變形量的晶粒為完全的等軸組織，表示在此溫度下已發(fā)生了完全的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，從而使晶粒細(xì)化。變形溫度為1 100 ℃時(shí)，不變形和50%變形量的試樣，部分晶粒都已經(jīng)有一定程度的長(zhǎng)大，晶粒大小不均勻。1 150 ℃時(shí)，不變形和50%變形量的試樣，晶粒都明顯粗化。這表明在實(shí)驗(yàn)工藝條件范圍內(nèi)，A-100鋼完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶溫度在1 050～1 100 ℃。

圖2 不同溫度和變形量下的顯微組織

2.2 加熱火次對(duì)A-100鋼晶粒度和顯微組織的影響

由變形溫度對(duì)A-100鋼晶粒度的影響可以看出，在實(shí)驗(yàn)工藝條件下，變形溫度為1 050 ℃時(shí)，晶粒最細(xì)小，晶粒度級(jí)別最大。在實(shí)際工程化應(yīng)用中，考慮到鍛壓設(shè)備能力、復(fù)雜鍛件外形尺寸和表面質(zhì)量要求等因素，加熱火次的選擇也尤為重要。因此選擇變形溫度為1 050 ℃，分別進(jìn)行1次加熱50%變形和1次加熱空燒后再進(jìn)行1次50%變形，考察加熱火次對(duì)A-100鋼晶粒度和顯微組織的影響。

表2為變形溫度為1 050 ℃、變形量為50%時(shí)，分別加熱1火和2火后的A-100鋼晶粒度，圖3為對(duì)應(yīng)的鍛造參數(shù)工藝參數(shù)下A-100鋼的顯微組織。從表2可以看出，當(dāng)加熱火次為2次時(shí)，雖然第2火的加熱溫度和變形量等參數(shù)與只加熱1次的完全相同，但首先進(jìn)行了一次空燒無變形，晶粒度只有7.8級(jí)，相比于只進(jìn)行一次加熱的情況，其晶粒度降低了0.7級(jí)。從表3可以看出，兩火次加熱相比于一火次加熱，部分晶粒長(zhǎng)大明顯，且晶粒尺寸不均勻。

表2 不同加熱火次后的晶粒度

圖3 分別加熱1火和2火后的晶粒度

3 A-100鋼細(xì)晶化大型模鍛件研制

從變形溫度和變形量對(duì)A-100鋼晶粒度和顯微組織的影響，以及加熱火次對(duì)A-100鋼晶粒度和顯微組織的影響兩方面的研究可以看出，控制變形溫度為1 050 ℃、變形量為30%～50%，并一火次成形，可以得到8級(jí)以上細(xì)小、均勻的顯微組織。

使用上述較優(yōu)化的工藝參數(shù)，通過數(shù)值模擬技術(shù)得到了較優(yōu)化的坯料，使之滿足一火次模鍛時(shí)，鍛件各部位變形量為30%～50%的條件，在某公司400MN模鍛液壓機(jī)上試制了兩批次某型飛機(jī)A-100鋼模鍛件。試制結(jié)果表明，鍛件心部和表面均達(dá)到了8級(jí)以上的晶粒度，綜合性能全面達(dá)標(biāo)。圖4為通過數(shù)值模擬得到的模鍛完成后鍛件典型橫截面的變形量分布圖。

圖5為A-100鋼起落架模鍛件顯微組織，表3為A-100鋼起落架模鍛件力學(xué)性能。

圖5 A-100鋼模鍛件顯微組織

從圖5可以看出，模鍛件表面和心部組織均細(xì)小，均勻；從表3可以看出，兩批次模鍛件均達(dá)到了優(yōu)良的綜合性能，尤其在優(yōu)化鍛造工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，首次在國(guó)內(nèi)取得了σb>1 950 MPa，KIC>150 MPa·m-2，具有優(yōu)良綜合性能的細(xì)晶化大型A-100鋼模鍛件。

表3 A-100鋼模鍛件力學(xué)性能

4 結(jié) 論

(1)在同一溫度下，隨變形量的增大，A-100鋼晶粒度越大。在變形溫度為980 ℃時(shí)，變形量在10%以下時(shí)，晶粒度和原材料相當(dāng)，變形量在30%以上時(shí)，晶粒度較材料略有增大。在變形溫度為1 050 ℃時(shí)，變形量在10%以下時(shí)，晶粒度同樣和原材料相當(dāng)，變形量在30%以上時(shí)，晶粒度級(jí)別提高到8.3級(jí)以上。在變形溫度為1 100 ℃以上時(shí)，晶粒開始顯著長(zhǎng)大，晶粒度較原材料下降明顯。因此，變形溫度為1 050 ℃、變形量為30%～50%為較優(yōu)化的鍛造工藝參數(shù)。

(2)變形溫度為1 050 ℃時(shí)，加熱一次并在變形量為50%的條件下，A-100鋼晶粒度為8.5級(jí)；加熱空燒一次，并再次加熱在50%變形量的條件下，晶粒度為7.8級(jí)，并有晶粒大小不均勻的現(xiàn)象。因此，一火次成形有利于實(shí)現(xiàn)A-100鋼的細(xì)晶化。

(3)采用得到的較優(yōu)化的工藝參數(shù)，試制了兩批次某型飛機(jī)A-100鋼模鍛件。試制結(jié)果表明，鍛件心部和表面均達(dá)到了8級(jí)以上的晶粒度。在優(yōu)化鍛造工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，首次在國(guó)內(nèi)取得了σb>1 950 MPa，KIC>150 MPa·m-2，具有優(yōu)良綜合性能的細(xì)晶化大型A-100鋼模鍛件。